一種雙陷波超寬帶單極子天線(xiàn)的設計

摘要 提出了一種新型雙陷波特性的超寬帶單極子天線(xiàn)。通過(guò)在介質(zhì)基板上添加錐形輻射貼片，天線(xiàn)可以覆蓋超寬帶通信頻段。在輻射貼片上引入上、下兩個(gè)錐形縫隙結構，可以實(shí)現3.5 GHz、5.5 GHz的雙陷波特性。天線(xiàn)實(shí)測模型電壓駐波比2的阻抗帶寬是2.56～10.61GHz，其中3.18～3.76 GHz和4.4～5.75 GHz具有陷波特性。測試表明，天線(xiàn)在工作頻帶內具有全向輻射特性。

20世紀90年代，超寬帶技術(shù)已經(jīng)應用于軍事領(lǐng)域。隨著(zhù)短距離無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展，2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì )劃分3.1～10.6 GHz頻段用于商用的超寬帶通信系統，從此uWB技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。

由于在超寬帶的頻率范圍與現有的無(wú)線(xiàn)通信系統頻率相重疊如：WIMAX(3.4～3.6GHz)、WIAN(2.4～2.484 GHz，5.15～5.35GHz，5.725～5.825 GHz)、HIPERLAN/2(5.15～5.35 GHz，5.47～5.725 GHz)等。為了避免超寬帶通信系統中的其他頻段的相互干擾，具有陷波特性的超寬帶天線(xiàn)得到了廣泛的設計與研究。

近年來(lái)，天線(xiàn)工程師開(kāi)始將諧振結構直接蝕刻在超寬帶天線(xiàn)的輻射貼片上或貼片周?chē)?，使天線(xiàn)在干擾頻段內具有陷波特性。通常使用的陷波結構為“C”或“U”形縫隙或金屬條帶。然而很多設計不僅結構復雜而且大部分只是單陷波特性。

本文提出了一種具有雙陷波特性的微帶饋電的超寬帶天線(xiàn)。通過(guò)在錐形輻射貼片上腐蝕兩個(gè)錐形縫隙，可以使天線(xiàn)在3.5 GHz和5.5 GHz獲得陷波特性。測試結果表明天線(xiàn)電壓駐波比小于2的阻抗帶寬是2.56～10.61 GHz，并且在帶內具有較好的雙陷波和全向輻射特性。

1 天線(xiàn)的設計與結構

圖1給出了采用錐形縫隙的雙陷波超寬帶印刷天線(xiàn)的結構圖。天線(xiàn)蝕刻在相對介電常數εr為4.4，厚度H為1.52 mm的FR4介質(zhì)基板上，整體尺寸為35 mm×30 mm，地板大小為30 mm×13.5 mm。饋電部分是50 Ω的微帶線(xiàn)，其中微帶線(xiàn)寬度為2 mm，并與SMA型同軸連接器相連。天線(xiàn)正面是錐形的輻射貼片，選取合適的尺寸，可以使天線(xiàn)得到超寬帶性能。通過(guò)在輻射貼片上引入上、下兩個(gè)錐形縫隙，可以使天線(xiàn)在3.5 GHz和5.5 GHz處實(shí)現雙陷波特性。

為分析改進(jìn)結構對天線(xiàn)電性能的影響，采用3D電磁仿真軟件Ansoft HFSS V13對設計的天線(xiàn)進(jìn)行了仿真優(yōu)化分析。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗及加工調試后確定的天線(xiàn)尺寸如下：L=35 mm，L1=15 mm，L2=6.5 mm，L3=5.5 mm，L4=1.5 mm，L5=13.5 mm，W=30 mm，W1=2 mm，W2=4 mm，W3= 29 mm，S1=2 mm，S2=1.5 mm，H=1.52 mm。上下兩個(gè)縫隙的長(cháng)度分別為p1=25 mm，p2=16 mm。

2 結果分析

圖2給出了天線(xiàn)在頻率為3.5 GHz、5.5 GHz時(shí)的仿真表面電流分布?？梢钥闯?，天線(xiàn)工作在3.5 GHz時(shí)，表面電流主要集中在上面的錐形縫隙周?chē)?工作在5.5 GHz時(shí)，表面電流主要集中在下面的錐形縫隙周?chē)?。此時(shí)縫隙上下兩側的電流方向相反，天線(xiàn)工作于準傳輸線(xiàn)模式。由于縫隙長(cháng)度約為1/4波長(cháng)，此模式將縫隙上側的高阻抗轉變?yōu)橄聜鹊牧阕杩?，導致天線(xiàn)的阻抗失配，造成天線(xiàn)不能向外輻射，也就形成了天線(xiàn)的陷波特性。

圖3和圖4分別給出了縫隙長(cháng)度p1和p2取不同值時(shí)，天線(xiàn)電壓駐波比的仿真結果。如圖所示，可以看出調節錐形縫隙的長(cháng)度可以改變陷波頻帶的位置，且基本不會(huì )影響其他的工作頻帶。

利用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀Agilent—E5071B對加工后的天線(xiàn)模型進(jìn)行了測試，圖5給出了有無(wú)錐形縫隙時(shí)，天線(xiàn)電壓駐波比的仿真和實(shí)測結果?？梢钥闯?，天線(xiàn)電壓駐波比的實(shí)測曲線(xiàn)與仿真結果基本吻合，在頻段內的差異可能是由于加工誤差和測量環(huán)境引起的。引入錐形縫隙后，天線(xiàn)明顯產(chǎn)生兩個(gè)陷波頻帶(3.18～3.76 GHz和4.4～5.75 GHz)。實(shí)測結果表明，天線(xiàn)模型的電壓駐波比2的工作頻帶為2.56～10.61 GHz，滿(mǎn)足了UWB通信系統對工作帶寬的基本要求。

圖6分別給出了3.1 GHz、4 GHz和8 GHz頻點(diǎn)處的實(shí)測遠場(chǎng)方向圖。在y—z平面內(E面)，天線(xiàn)輻射方向圖具有類(lèi)似單極子天線(xiàn)的方向圖;在z-y面(H面)內，天線(xiàn)輻射方向圖近似全向。

圖7給出了天線(xiàn)在工作頻帶內的實(shí)測增益曲線(xiàn)。如圖所示，天線(xiàn)增益在3.5 GHz、5.5 GHz頻帶內有明顯下降，說(shuō)明該天線(xiàn)具有良好的雙陷波特性。

3 結束語(yǔ)

本文提出了一種新型的用于UWB通信系統的雙陷波超寬帶印刷單極子天線(xiàn)。利用改進(jìn)的錐形輻射貼片和錐形縫隙，使得天線(xiàn)形成帶有雙陷波特性的超寬帶天線(xiàn)。實(shí)測結果表明，天線(xiàn)滿(mǎn)足UWB通信的阻抗帶寬，并具有良好的雙陷波特性和全向輻射特性。因此，該天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)超頻帶通信系統中有較好的應用前景。