具有三陷波特性的新型超宽带天线设计与研究*

李国金， 秦元龙， 南敬昌

(辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院,辽宁 葫芦岛 125105)

0 引 言

近年来，无线通信技术随着人们工作生活的需求日益发展，终端设备低成本、高效率的发展趋势也逐渐凸显。在2002年美国联邦通信委员会(FCC)将3.1～10.6 GHz频带范围划分到民用通信领域后[1]，越来越多的研究人员把目光投向超宽带通信领域，超宽带(ultra-wideband,UWB)通信领域中的超宽带天线又是研究重点[2，3]。超宽带频段内包含了一些窄带的通信频段，比如WiMAX(3.3～3.6 GHz)频段以及WLAN(5.15～5.825 GHz)频段等，这些窄带信号会对超宽带系统造成干扰。诸多研究人员通过设计具有陷波特性的天线，来解决这一问题，陷波超宽带天线的作用就是滤除掉这些窄带信号。近年来，越来越多的陷波结构被提了出来，但陷波的主要结构还是开槽法[4]、添加枝节法[5]和寄生单元法[6]等。开槽是目前应用最多的方法，因其具有很多优点，如结构简单，对工作频段内阻抗匹配影响较小，而且原天线的尺寸也不会增加。

文献[7]设计了一种结构简单的单陷波超宽带天线，将一个弧形槽刻蚀在辐射贴片上，在5.1～6.0 GHz处形成了阻带，工作频带能够达到2.8～10.8 GHz。文献[8]设计出了一个具有双频带阻特性的超宽带天线，选择将一对C形槽刻蚀在天线辐射贴片上，实现了对WiMAX频段的阻隔，同时为了滤除WLAN频段的窄带信号，在贴片下端选择递进结构，此天线的覆盖频率能达到2.8～12 GHz。文献[9]中的超宽带陷波天线，选择将天线的辐射贴片设计成渐变的笑脸形状，以获得超宽带特性，天线带宽为2.99～11.78 GHz，为了滤除WLAN频段的窄带信号，选择在辐射贴片上开槽，最终的天线拥有陷波功能。

本文设计出了一种带宽更宽、陷波性能更好、结构相对简单的新型双陷波特性超宽带天线。

1 天线的结构与设计原理

本文提出的陷波超宽带天线设计在厚度为1 mm的FR4基板上，基板的介电常数为4.4。首先设计出满足超宽带带宽条件的天线，原始天线如图1所示，天线的辐射贴片在天线正面，矩形接地板在天线背面，天线的馈电方式采用微带线馈电，微带馈线的形状为矩形。

图1 原始天线结构

通过HFSS软件进行仿真得出原始天线不满足超宽带特性，此时对地板进行改进，改为如图2(b)所示的3次切角矩形，改进后的天线基本满足超宽带的特性，但性能不是很好，继续通过对微带馈线进行改进，如图2(a)所示，使天线的工作频率范能够达到2.7～14.0 GHz，不仅包括了3.0～10.6 GHz频带，而且拥有良好的超宽带特性。

图2 最终超宽带天线结构

选择在辐射贴片上开C形槽产生第一个陷波，此陷波结构实现了对WiMAX窄带信号的滤除；通过在地板上开U形槽产生第二个陷波，能够实现对WLAN窄带信号的滤除，继续在微带馈线上开U形槽产生第三个陷波，实现了对ITU波段窄带信号的滤除，最终的天线结构如图3所示。

图3 三陷波超宽带天线结构

超宽带天线具有陷波功能的原因是，天线的辐射贴片和地板上拥有不同的开槽结构，原理上讲，相当于在超宽带天线的基础上，引入半波长谐振结构[10,11]，开槽长度可以通过陷波中心频率来计算，计算公式如式(1)

(1)

式中fnotch为陷波处对应的中心频率，c为光速，εr为介质基板的相对介电常数。为得到更精确的数值，使用HFSS软件对开槽的参数进行仿真优化，以确定出最好的参数[12，13]，使天线的性能达到最佳，最终得到的具体尺寸如表1所示。

表1 超宽带天线参数尺寸 mm

为了进一步研究该天线的特性，首先分析地板结构对天线超宽带特性的影响，在辐射贴片不改变的情况下对矩形接地板进行仿真，再对改进的接地板仿真，经过对比之后，选用改进的接地板。其次分析辐射贴片对天线超宽带特性的影响，在选用改进后的接地板的情况下，对矩形微带馈线进行仿真，再对改进的微带馈线进行仿真，对比之下选用改进后的微带馈线，天线的最终带宽能达到2.7～14 GHz。实现了天线的超宽带特性后对天线进行开槽处理，使天线具有陷波特性，在地板未嵌入开槽的情况下在辐射贴片开C形槽，使天线产生第一个陷波，分析不同的长度K产生的陷波情况。确定最佳长度K之后对地板开U形槽，使天线产生第二个陷波，分析不同长度P产生的陷波情况。然后在微带馈线上开U形槽，使天线产生第一个陷波，分析不同长度a2产生的陷波情况.最终使三个陷波频段都达到最好的效果。

2 实验结果分析与优化

图4为天线改进前、仅改进接地板、同时改进接地板和微带馈线的反射系数S11仿真结果。

图4 改进前后天线的S11参数

从图4中可以看出：1)改进前，天线的S11参数在3.0～14.0 GHz频段内的大部分频段都大于或接近于-10 dB，且在4.5～5.5 GHz频段内尤为明显，天线的性能较差；2)在仅对地板进行改进后，4.5～5.5 GHz频段内的S11参数降到-10 dB之下，且在整个超宽带频段内的S11参数都满足要求，但仍然过于接近-10 dB，天线的性能一般；3)对地板和辐射贴片同时进行改进后，天线的S11参数整体下降到-15 dB以下，且带宽仍然能够覆盖整个超宽带频段，此时的天线性能较好，且带宽达到2.7～14.0 GHz。从仿真结果得到，改进后的结构可以很大程度增加天线的带宽，完全符合超宽带天线的带宽要求。

对天线的辐射贴片进行开C形槽处理，此时天线能够实现第一个陷波，对C形槽的上部分长度K进行优化仿真，图5为不同的K值下天线反射系数的仿真结果。

图5 不同长度K对应的S11

由仿真结果可以看出：1)在没有加入陷波结构时，天线为普通的超宽带天线，不具有陷波特性；2)在加入陷波结构之后，对比于未加入陷波结构，天线的S11参数在3.2～3.7频段内大于-10 dB，说明天线能够很好的滤除这个频段内的信号，具有良好的特性；3)从图5中可以看出，不同的K值下陷波频段会有少许差别，在优化之后，通常需要选择最接近且覆盖3.3～3.6 GHz频段的曲线，此时曲线对应的K为11.6 mm。

实现了第一个陷波后，确定了辐射贴片上的结构和尺寸，为实现天线的第二个陷波，选择对天线接地板进行开U形槽处理，图6为不同P值下天线的S11参数仿真曲线。

图6 不同长度P对应的S11

由仿真结果可以看出：1)对地板进行开槽，产生第二个陷波，陷波频段为WLAN(5.15～5.825 GHz)频段，天线可以滤除此频段内的信号；2)在确定完辐射贴片结构，只对地板进行开槽时，从仿真结果可以得知，对地板的改进几乎没有影响到第一个陷波特性，说明天线的两个开槽结构之间的耦合作用很小；3)从图6中可以看出，不同的P值会产生不同的陷波频段，同样选择最接近且覆盖5.15～5.825 GHz频段的曲线，此曲线对应的P为10.5 mm。

实现天线的第三个陷波，选择对天线微带馈线进行开U形槽处理，图7为不同a2值下天线的S11参数仿真曲线。

图7 不同长度a2对应的S11

由仿真结果可以看出：1)在双陷波天线的基础上，通过在微带馈线上开槽，实现了第三个陷波频段7.9～8.7 GHz，滤除了国际电信联盟(8.0～8.5 GHz)的窄带信号；2)从图7中可以看到，a2值不同时第三个陷波中心频率变化很大，说明不同的长度导致不同的陷波频段，而前2个陷波频段有少许变化，但整体陷波频段没有变化不大，说明第三个陷波结构对前2个陷波结构有耦合作用，在可接受范围内，影响很小；3)同样选择最接近且覆盖8.0～8.5 GHz频段的曲线对应的长度a2为1.1 mm。

通过电流分布图更好分析天线实现陷波功能的原理。天线的工作原理大致可以理解为信号之间的转换，当输入电信号时，天线将输入信号转换为电磁波，从而发射出信号[14]。图8为中心频率分别为3.5,5.45,8.2 GHz时的仿真结果，由图可知在陷波频段内，陷波结构周围聚集大量能量，说明在这个频段内天线的性能很差，不能够正常收发信号，此时超宽带天线可以实现陷波特性。

图8 天线表面电流分布

为实现天线良好的辐射特性[15]。本文选择在不同频点处仿真天线的远场辐射方向图，结果如图9所示，从图中可知，天线E面的方向图形状为“8”字形，说明天线有良好的定向辐射性能；天线H面方向图形状为圆形，说明天线拥有良好的全向辐射特性。在4 GHz频点处天线的方向图很好，呈现的辐射特性良好，在7.5 GHz和10 GHz频点处，天线的E面方向图略微畸变，定向辐射强度较4 GHz频点处有所收缩，H面方向图基本不变，说明天线在全向辐射特性这方面呈现出良好的性能，完全能够满足超宽带天线的要求的。

图9 天线方向

由图10可以看出，天线在通带内的增益在3～5 dBi之间，相对是趋于稳定的，说明此时天线能够正常稳定的工作。在陷波频段内，增益下降到-2 dBi以下，说明在此频段内，天线是不工作的，成功滤除了这些频段内的窄带信号对超宽带系统的干扰。

图10 天线增益

3 天线制作与实测结果

图11为天线加工后的实物。

图11 天线实物

在正常环境条件下使用矢量网络分析仪进行天线反射系数测量，图12为实测与仿真对比，可以看出：天线带宽达到2.7～14.0 GHz，在3.2～3.7 GHz和5.0～5.9 GHz两个频段的S11参数都达到-10 dB以上，具有良好的陷波特性，除陷波频段外的通带内S11参数基本小于-15 dB，拥有良好的性能，符合本设计的要求。实测与仿真结果之间的误差，主要是实物加工过程的问题，如加工精度不够、介质基板与辐射贴片会有磨损以及接头焊点的影响。

图12 S11仿真与实测对比

4 结 论

本文提出了一种三陷波超宽带天线，通过改进接地板和微带馈线结构有效拓宽了带宽。在辐射贴片上刻蚀C形槽，可以抑制WiMAX窄带信号的影响；在接地板开U形槽，抑制了WLAN窄带信号的干扰；在微带馈线上开U形槽，抑制了国际电信联盟波段信号的干扰。对天线尺寸结构优化之后做出了实物，测试结果与仿真结果有些许差别，但在可控范围内。最终结果表明，本文设计的天线能够实现陷波功能，且性能良好，可用于通信系统中。