一种新型小尺寸三陷波超宽带天线设计

蔡际周，官伯然

(杭州电子科技大学 天线与微波技术研究所，浙江 杭州 310018)

美国联邦通信委员会在2002年通过了允许将超宽带(Ultra Wide Band ,UWB)技术应用于民用通信的规范，并划分了3.1～10.6 GHz的工作频带，UWB技术得以迅速发展[1]。UWB技术有超宽的信号传输带宽、低发射功耗以及高速数据传输速率等优点[2]，因此具有非常广阔的发展前景。然而随着各种通信协议的不断增加，频谱资源也日益紧张。比如在UWB通信频段内同时还存在着如3.7～4.2 GHz的C频段卫星系统、5.15～5.825 GHz的无线局域网络(Wireless Local Area Network ,WLAN)和7.9～8.4 GHz的X频段卫星系统等各种窄带通信系统。为避免UWB通信系统中的其它频段的干扰，使用滤波器是一种常见的办法，但是这样会增加系统的复杂性，也不利于系统的集成化和小型化。为解决上述问题，科研人员设计出了具有陷波特性的UWB天线。

近年来，多种具有陷波特性的UWB天线被广泛研究[3-15]，一般都是引入可以产生陷波特性的几何结构，如在天线辐射体上蚀刻各种形状的缝隙或者槽线以及缺陷地等结构来获得所需频段上的陷波。现有文献中提出的具有陷波特性的UWB天线主要有以下不足：陷波频段无法精确地完全覆盖C波段卫星系统、WLAN系统和X波段卫星系统等窄带通信系统；天线尺寸较大，没有满足小型化要求，集成难度大；天线几何结构复杂，给天线制作带来很大困难。

针对这些不足，本文提出了一种带有三陷波特性的UWB天线。结构简单，整体尺寸为30 mm×30 mm×1.6 mm。完全覆盖所需的陷波频带，这些陷波的频段分别是通过在天线的圆形辐射贴片上内嵌一对Y型贴片、地板蚀刻出的倒U型贴片和馈电线旁边放置一对开口谐振环实现的。

1 天线的结构与设计

具有三陷波特性的UWB天线结构图如图1所示。天线蚀刻在介电常数为4.4和厚度为1.6 mm的FR4介质板上天线的尺寸为30 mm×30 mm。并通过长宽为L4和W5的50 Ω微带线进行馈电。

图1 三陷波UWB天线结构图

图2显示了天线设计的4个步骤。步骤1中是原始的天线，由圆形辐射贴片、长方形地板和50 Ω的馈电线组成。步骤2中，为了能够获得良好的阻抗匹配特性，需要对接地板的形状和尺寸进行调整和优化。接地板上沿缺口三角形边长L8和W10决定着接地板的渐变程度，从而影响阻抗匹配的好坏程度。另一个影响接地板的渐变程度是长宽为W9和L9的缺口长方形。因此，通过优化这4个参数，使得天线能够在各个谐振模式中实现平稳过度，从而进一步拓宽天线的阻抗带宽。步骤3中，在介质板的背面，辐射贴片圆的下面蚀刻出倒U型贴片去实现C频段的陷波。并且为了实现WLAN频段的陷波，先把辐射圆蚀刻成圆环后再内嵌一对倒Y型贴片。最后，在辐射圆和50 Ω馈电线附近增加一对对称的开口谐振环来实现X频段的陷波。

图2 三陷波UWB天线设计的步骤

原始天线具有良好的UWB特性，在充分考虑整体尺寸的前提下，适当地选择圆形贴片和共面地板的大小来保证天线的阻抗匹配特性。陷波的原理是在对应的中心频率点引入谐振器，天线工作在此频率附近时，表面电流将会集中槽口周围，造成阻抗失配而形成陷波。所以在贴片上面蚀刻圆环缝隙和裂缝，使得圆环缝隙和裂缝周围的电流重新分布，形成了陷波特性。考虑在介电常数为4.4 时，陷波结构的长度约为陷波频率对应波长的 1/2，考虑缝隙和裂缝之间的耦合，在初始值附近进行一定的优化就可得出设计天线的具体参数。

使用3D电磁仿真软件HFSS15.0对设计的天线进行仿真，经过加工调试后天线的尺寸为:R1=6.5 mm,R2=4.5 mm,R3=2.6 mm,R4=1.8mm,W1=0.5mm,W2=1.7mm,W3=0.3mm,W4=0.3mm,W5=15.4mm,W6=2.9mm,W7=7.2mm,W8=11mm,W9=2.5mm,W10=8.5mm,W11=14mm,L1=1.5mm,L2=0.3mm,L3=4.7mm,L4=2.8mm,L5=1mm,L6=5.1mm,L7=3mm,L8=9mm,L9=5mm。

2 仿真和实验结果

图3给出了三陷波UWB天线各个步骤的回波损耗的HFSS仿真结果图。可以看出步骤1的天线带宽为3.5～12 GHz，但是在5.5～9.5 GHz的回波损耗略大于-10 dB，还不符合指标要求。经过优化后的步骤2中的天线带宽为2.4～12 GHz，相比步骤1的带宽增加了1.1 GHz，优化后的天线具有良好的阻抗匹配。从步骤4的回波损耗曲线图可以看出一对Y型贴片、倒U型贴片和一对开口谐振环的陷波功能，3个贴片有各自陷波频带，频带分别为3.5～4.2 GHz,5～5.9 GHz,7.9～8.4 GHz。步骤3的天线的两个陷波特性会相互影响，而对步骤4的天线陷波频段没有太大影响。

图3 各个步骤的天线回波损耗曲线图

图4为三陷波UWB天线的随频率变化的实测增益图，天线在通带内增益稳定，曲线平坦，范围在3～5 dBi，而在阻带内增益则下降至-8 dBi、-10.9 dBi和-9 dBi，出现的频率也正如预期的出现在4 GHz，5.5 GHz和8 GHz。以上结果进一步说明天线在通带内能够正常的工作，而在阻带内由于增益的不足具有良好的陷波特性。

图4 天线实测增益曲线图

图5给出的是在3.2 GHz、4.5 GHz、6.8 GHz以及9.5 GHz频率点的远场辐射方向图。这4个频率点分别处2.9～3.5 GHz、4.2～5 GHz、5.9～7.9 GHz、8.4～10.7 GHz 等4个通带内。从图中可知，天线H面辐射方向图都为椭圆形，具有全向性辐射特性。E面辐射方向图都呈“8”字形的定向辐射，和传统的单极子天线的方向图相似。天线的方向图在中低频段范围内变化不大，只在高频段时，方向图才开始产生一定程度的畸变。这些方向图说明该天线在4个通带内辐射特性良好，满足UWB通信的要求。

图5 三陷波UWB天线辐射方向图

为了验证所设计的天线的实用性和有效性，根据图1中的天线设计加工了天线实物，图6给出了天线原型实物图。

图6 三陷波UWB天线实物图

使用Rohde&Schwarz公司ZVB4矢量网络分析仪对UWB三陷波天线的回波损耗进行测量，得到其回波损耗结果。图7给出了三陷波UWB天线回波损耗的HFSS仿真结果和矢量网络分析仪测试结果。从图中可看出，天线的仿真结果和实测结果基本吻合，偏差是由于天线加工制作的过程中存在误差、SMA接头的焊接误差及介质基板质量等原因引起的。

图7 天线测试和仿真回波损耗曲线图

3 结束语

文中提出了一种新型小尺寸的具有三陷波特性的超宽带天线，天线的整体尺寸为30 mm×30 mm×1.6 mm，结构简单、易于加工制作和系统集成。在圆形辐射贴片超宽带天线的基础上，通过在圆环辐射贴片上内嵌一对Y型贴片、介质板底面蚀刻倒U型贴和一对开口谐振环使天线实现了3陷波功能，即在3.9 GHz、5. 5 GHz和8.1 GHz 的窄带范围具有良好的陷波特性，有效抑制了通信系统相关频段对于UWB系统的潜在干扰。此外，该天线在整个工作频段内具有良好的辐射特性和稳定增益，符合UWB天线的性能指标要求，在UWB通信系统中有着良好的应用前景。

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