小型化多陷波新型超宽带天线设计与研究*

李国金，林圣夫，南敬昌，王艺扉

(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，随着科技的不断发展，加快了无线通信技术日益更新，成为了人们工作生活中的不可或缺的一部分。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，超宽带(ultra-wideband,UWB)通信技术成为了无线通信领域和学术界以及商业界的研究热点[1]。超宽带天线不仅能够在雷达、定位和一些短距离通信系统等所划定的工作频段内实现良好的全向辐射特性，而且具有传输效率高、功率损耗低、辐射效率高等优点，同时易于设计和制作[2]。

然而，超宽带系统具有许多窄带通信频带，并且整个系统不能正常且稳定地运转，这些窄带频段包括INSAT波段(4.4～4.5 GHz)、国际卫星波段(4.5～4.8 GHz)波段、部分无线局域网(wireless local area network,WLAN)波段(5.725～5.825 GHz)以及X波段(7.25～7.75 GHz)等。因此，需要设计出良好性能且具有陷波特性的超宽带天线，将其运用在通信系统中来解决这些窄带频率干扰的问题。通过国内外学者多年的研究，不同结构的陷波超宽带天线被相继提出，主要结构包括开槽法[3]、添加枝节法[4]和寄生单元法[4]等。开槽法是几种方法中最受青睐的一种，它具有结构简单，易于实现以及产生陷波效果好等优点，除此之外，它不会增加原天线的尺寸大小，利于实现小型化的同时,对工作频段内阻抗匹配的影响较少[5]。

文献[6]提出了一种工作带宽为3～12 GHz的双陷波超宽带天线，该天线采用在天线背面引入新型多模谐振器产生了中心频率为5.5 GHz和8.1 GHz的陷波，天线尺寸较小。文献[7]设计的天线采用在矩形辐射贴片中部包裹式叠刻蚀2个倒U形槽的方法滤除了3.3～3.8 GHz和5.0～5.9 GHz两个频带信号的影响，实现了3.1～10.6 GHz频段的超宽带特性的同时又具有较为简单的结构。文献[8]中的天线采用在圆形辐射贴片左上方引入弧形槽并在右下方刻蚀倒L形槽的方式，抑制了WiMAX(3.3～3.6 GHz)和WLAN(5.15～5.825 GHz)波段的干扰，该天线拥有优异的性能。上述几类天线性能良好，均能滤除干扰频段，不过产生的陷波数量较少且天线的尺寸较大，能够实现超宽带特性的频带宽度较窄。

本文提出了一种小型化新型多陷波超宽带天线，该天线的整体尺寸仅为25 mm×18 mm×1 mm，在改进矩形辐射贴片上刻蚀U形窄缝隙和倒U形槽，并在微带线上引入U形窄缝隙，在结构更加紧凑的同时对INSAT波段、国际卫星波段、部分WLAN波段以及X波段等多频段的窄带信号进行隔阻。对半圆接地板的中部进行开槽，使得天线在中高频阻抗匹配特性得以改善，从而扩宽了天线的工作频带，实现了3.1～15.1 GHz的超宽带特性。

1 天线设计

1.1 超宽带天线结构设计

本文提出的一种小型化新型多陷波超宽带天线采用FR4材料作为介质基板，其介电常数为4.4，天线总体尺寸为25 mm×18 mm×1 mm，使用长度为Lv、宽度为Wv的50 Ω矩形微带线进行馈电。通过在矩形辐射贴片底部设置对称1/4圆切角，使得天线高频的匹配特性得以改善，从而扩宽了天线的工作频带。在辐射贴片的中上部开一个矩形凹槽，进一步优化了天线的稳定性并且减少了辐射贴片的有效面积，提高了材料的利用率。将原始背面矩形接地板换成半圆接地板后，天线的有效带宽得到了进一步的拓展，但此时天线中低频的输入回波损耗无法满足工作需要，于是在接地板的中部开设矩形凹槽，使得天线中低频的性能大幅提升，最终实现了4～15.1 GHz的超宽带特性。

如图1为超宽带天线结构图，L和W分别为介质基板的长和宽；R为1/4圆切角的半径；Lf为辐射贴片的长度；Lv和Wv分别为微带线的长和宽；Lg和Wg分别为接地板矩形凹槽的长和宽。在上述方法后天线实现了良好的陷波特性，拥有了较宽的带宽。在此基础上再引入3个陷波结构，从而进一步实现优异的陷波特性。

图1 超宽带天线结构

1.2 陷波结构设计

在实现了本文的超宽带特性之后，为了滤除窄带信号对超宽带系统的干扰，在辐射贴片的矩形凹槽下方引入一个U形窄缝隙，产生了一个能够抑制INSAT波段和国际卫星波段的陷波；在第一个陷波结构的下方，刻蚀了倒U形槽，实现了第二个陷波频段，成功解决了X波段信号干扰的问题；最后在微带线上开设一个U形窄缝隙，产生了第三个陷波特性，有效抑制了部分WLAN信号的干扰，天线的陷波结构如图2所示。其中，L21，L22，W21，W22为辐射贴片U形窄缝隙所对应的长和宽；L31，L32，W31，W32为U形槽所对应的长和宽；L41，L42，W41为微带线处U形窄缝隙的长和宽。

图2 天线陷波结构

超宽带天线通过上述开槽能够产生陷波特性，从原理上说，相当于引入了半波长谐振结构，槽的总长度为所需滤除频段的中心频率波长的1/2。对应的公式如下

(1)

式中fnotch为所需滤除频段的中心频率，c为光速，εr为介质基板的相对介电常数，但式(1)只能够计算出槽总体长度的大概值，具体的精确值需要用HFSS软件进行精密的优化仿真，从而得出参数的最优值如表1所示。

表1 超宽带天线参数尺寸 mm

2 实验结果分析

2.1 天线接地板结构性能分析

在正面的辐射贴片形状确定且未引进陷波结构的情况下，天线接地板的结构改变会对超宽带特性的实现产生巨大的影响。图3为该天线接地板的4个设计步骤：a.初始矩形接地板；b.截短矩形接地板；c.半圆接地板；d.具有矩形开槽的半圆接地板。

图3 接地板设计步骤

图4为4种结构接地板所对应的反射系数S11的仿真结果，从图中可以看出：1)在使用初始矩形接地板时，天线的S11参数曲线整体明显都在-10 dB上方附近，只有高频处的2个小频段低于-10 dB，表明天线此时无法正常工作，此接地板无法满足设计需要。2)在初始矩形接地板进行截短后，天线的反射系数在4.8～8.2 GHz以及11.5～14.4 GHz两个频段内小于-10 dB，相比于初始接地板有所提升，但在其余频段仍然无法满足天线的特性。3)将接地板的结构换成半圆后，此时的接地板改善了天线的整体性能，天线的S11曲线在整个大频段内都有了大幅度的下移，但仍然在6.2～7.1 GHz以及9.2～10.1 GHz的频段内不满足需求。4)最后在半圆接地板上开了一个矩形槽，使得天线在6～10 GHz的中高频段内的匹配阻抗特性得到大幅改善，整条曲线都下移到了-15 dB以下，表明天线性能良好且实现了4～15.1 GHz的超宽带特性。从上述分析中可以看出，截短矩形接地板改善了天线低频处以及超高频处的性能，半圆接地板在此基础上扩宽了高频和超高频处的工作带宽，具有矩形开槽的半圆接地板大幅改善了天线中频处的性能，进一步扩宽了天线整体的带宽。

图4 不同结构接地板天线的S11仿真结果

2.2 天线陷波结构参数分析

在对超宽带的设计完成后，进一步在天线优化完成后的辐射贴片上方和下方引入U形窄缝隙和倒U形凹槽，并且在矩形微带线上引入U形窄缝隙。为了进一步研究天线的陷波结构改变对性能的影响，图5为只引入辐射贴片上倒U形槽并改变其两侧长度L31值时对应的S11曲线变化图，从图5中可以看出：1)在引入陷波结构后，天线的S11曲线立刻在对应频段向上产生了尖波，说明此陷波结构的在对应频段改变了天线的阻抗匹配特性，使得天线在对应频段具有陷波特性。2)随着L31值的增大，陷波的中心频率逐渐向低频移动，符合陷波计算公式的原理。3)L31值的变化主要改变了陷波的中心频率的位置，基本不改变陷波频率的宽度和天线整体的带宽，最后选取L31值为4 mm时为最佳值，此时陷波的频率覆盖了7～8 GHz。

图5 不同L31值对应S11曲线

将3个陷波结构都加入天线以后，改变辐射贴片上U形窄缝隙的宽度W22值来分析天线的陷波特性，图6为不同的W22值所对应的S11曲线。

图6 不同的W22值所对应的S11曲线

从图6中可以看出：1)引入了3个陷波结构后，天线的S11曲线对应的产生了3个波峰，证明了陷波结构的作用明显。2)随着W22值的增大，在低频处的陷波频率宽度发生了明显的变化，先从大变小，再从小转到大，并且陷波中心频率也随着发生移动，表明U形窄缝隙的宽度能够控制陷波频率的范围和中心频率的位置。3)W22值的改变仅影响了低频处陷波的S11曲线变化，中高频处的2个陷波对应的S11曲线基本吻合，反映了天线的3个陷波结构具有独立性，基本不受耦合作用的干扰，调节W22值为0.27 mm，使得3个陷波性能都达到最好。4)对比于未加入陷波结构之前，天线低频的带宽有明显的拓宽，表明低频处陷波结构的加入一定程度上改善了低频处的阻抗匹配特性，最终达到3.1～15.1 GHz的工作带宽，并产生了4.1～4.8 GHz，5.4～5.9 GHz和7.1～7.9 GHz三个频段的陷波。

2.3 天线陷波特性原理与辐射特性分析

图7(a)～(d)为天线在陷波中心频率为4.6，5.75，7.5 GHz和正常工作下频率11 GHz时的天线表面电流分布图。从图7中可以清晰地看出，在4.6，5.75，7.5 GHz的陷波中心频段时，天线表面的能量分别汇聚在辐射贴片上方的U形窄缝隙、微带线上的U形窄缝隙和辐射贴片下方的倒U形槽附近，由于能量聚集无法向外辐射，此时的天线失去基本工作能力，因此具有良好的陷波特性。而在10 GHz时，在没有陷波结构的影响下，天线表面电流分布十分均衡，表明能量能够很好地被辐射出去，此时天线性能良好。

图7 天线表面电流分布

图8为天线在4，7，10 GHz下的天线辐射方向图。从图中可以看出，天线工作在4 GHz和7 GHz时，E面呈现明显“8”字形状的定向辐射特性，H面的方向图近似一个正圆形，表示天线此时具有全向辐射特性。随着频率的增高，在10 GHz处，E面的“8”字形状略微有些畸变，表示高频时的辐射特性与低频处相比有所变坏，但是仍然具有符合超宽带系统工作要求的定向和全向辐射特性。

图8 天线方向图

3 天线实测结果分析

经过HFSS仿真优化之后，进一步地设计版图并制作实物，通过实物的测试来保证设计的准确性。图9为制作的天线实物。

图9 天线实物

图10为天线实测与仿真的S11对比，从图中可以看出仿真曲线与实测曲线基本吻合，天线的带宽达到3.1～15.2 GHz，并且在4.0～4.8 GHz，5.4～5.8 GHz，7.1～7.9 GHz的S11参数都在-10 dB以上，表明天线具有良好的陷波特性，在其余工作频段内的S11参数均小于-15 dB，表明天线具有稳定的性能。误差产生的主要原因是由于实物加工过程中的磨损，设备精度等情况造成的。

图10 S11仿真与实测对比

图11为天线增益实测。从图中可以看出，在工作时天线的增益曲线在3～5 dBi之间振荡，起伏不大，曲线相对平滑稳定，表明天线能够稳定工作。在3个陷波频段内，增益下降到-4.5，-3.7,-4 dBi，表明此时的天线不能正常工作，陷波结构有效地抑制了窄带信号的干扰。

图11 天线增益

表2为本文提出的小型化新型多陷波超宽带天线与参考文献中的陷波超宽带天线的参数与效果对比。

表2 本文与参考文献中天线性能对比

4 结 论

本文提出了一种小型化新型多陷波超宽带天线，使用半圆接地板的中部进行开槽的方法，扩宽了天线的工作频带。在改进矩形辐射贴片上刻蚀U形窄缝隙和倒U形槽，并在微带线上引入U形窄缝隙，对INSAT波段、国际卫星波段、部分WLAN波段以及X波段等多频段的窄带信号进行隔阻并最终实现了3.1～15.1 GHz的超宽带特性。本文重点研究了使用不同结构的接地板对超宽带天线带宽的影响以及陷波结构参数的改变对天线陷波特性的影响。优化仿真后，将制作、测量和比较实际的天线。结果与仿真相似，表明该天线具有出色的陷波特性和稳定的增益，可用于多种超宽带系统。