一種具有雙阻帶功能的共面波導饋電超寬帶天線(xiàn)設計

1 引言

自從2002年2月美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）將3.1-10.6GHz頻段劃歸超寬帶（UWB）的民用頻段⁼，UWB無(wú)線(xiàn)通信系統的設計和應用便成為了無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域激烈競爭的焦點(diǎn)。作為超寬帶系統的重要組成部分，超寬帶天線(xiàn)的設計也成為了科學(xué)界和工程界的熱門(mén)研究課題。但是在UWB頻段內存在其他無(wú)線(xiàn)通信系統，比如3.3-3.6 GHz的WiMAX和5.15-5.825 GHz的WLAN等。

為了減小UWB系統與其他無(wú)線(xiàn)通信系統的相互干擾，具有陷波功能的超寬帶天線(xiàn)也被廣泛研究。近年來(lái)已經(jīng)有許多具有陷波功能的超寬帶天線(xiàn)相繼被提出，其中大量的陷波結構都是通過(guò)在天線(xiàn)上開(kāi)槽實(shí)現的。對于微帶類(lèi)超寬帶天線(xiàn)，還可以通過(guò)在地板開(kāi)槽或者饋線(xiàn)處加載諧振器來(lái)實(shí)現陷波功能。但對于共面波導饋電超寬帶天線(xiàn)，大部分陷波都是通過(guò)在輻射體上開(kāi)槽實(shí)現的，關(guān)于如何在地板實(shí)現陷波功能的研究并不多。

本文提出了一種具有雙阻帶功能的共面波導饋電超寬帶天線(xiàn)。這兩個(gè)阻帶分別是通過(guò)在天線(xiàn)的地板兩端對稱(chēng)地開(kāi)兩條槽和在輻射體上開(kāi)槽來(lái)實(shí)現的，阻帶的中心頻率分別為5.5和3.5 GHz。實(shí)測與仿真結果表明該天線(xiàn)在期望阻帶外的其他UWB頻段內表現出良好的寬帶阻抗匹配特性與穩定的增益，并且該天線(xiàn)具有良好的全向輻射特性。

圖1 天線(xiàn)結構圖

圖2 陷波超寬帶天線(xiàn)實(shí)物圖

2 天線(xiàn)設計

本文提出的具有雙阻帶功能的共面波導饋電超寬帶天線(xiàn)結構如圖1所示，天線(xiàn)的整體尺寸為L(cháng)×W =30×30 mm²。其主要輻射單元是一個(gè)半徑R=18 mm的圓片的一部分。共面波導傳輸線(xiàn)具有50om的特性阻抗，寬度為L(cháng)₁=4 mm,與地板之間的間隔為g=0.5 mm。兩端地板各自切除了一個(gè)三角形來(lái)實(shí)現更好的阻抗匹配。

該天線(xiàn)的兩個(gè)阻帶是通過(guò)在上述超寬帶天線(xiàn)的地板和輻射單元上開(kāi)槽分別實(shí)現的。通過(guò)在兩端地板靠近饋線(xiàn)位置各開(kāi)一條細槽可以實(shí)現一個(gè)阻帶，槽的長(cháng)度約為期望阻帶中心頻率對應波長(cháng)的1/4。同時(shí)，在輻射體上開(kāi)槽實(shí)現了天線(xiàn)的第二個(gè)阻帶，槽長(cháng)約為期望阻帶中心頻率對應波長(cháng)的1/2。通過(guò)調節各槽的長(cháng)度、寬度與位置可以獲得阻帶性能良好的陷波超寬帶天線(xiàn)。

圖3 天線(xiàn)的電壓駐波比特性

（a）E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

圖4 天線(xiàn)在3.1 GHz 的輻射方向圖

(a) E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

圖5 天線(xiàn)在7 GHz 的輻射方向圖

該天線(xiàn)被印制在相對介電常數為er=4.4，厚度為h=1.6 mm的FR4介質(zhì)板的同一側。這種共面結構容易加工與集成，成本低廉，且與射頻電路之間的影響很小。天線(xiàn)的各個(gè)參數是通過(guò)使用Ansoft公司的HFSS軟件仿真優(yōu)化的結果，最優(yōu)的結果為：L×W =30×30 mm²，g=4 mm，d=0.5 mm， gap=1.3 mm，R=18 mm，W₁=9.9 mm，W₂=1.8mm，W₃=9 mm，W₄=0.7mm，L₁=7.8 mm，L₂=0.92 mm，L_slot1×W_slot1=7.8×0.22 mm²，L1_slot2=12.6 mm，L2_slot2= 10 mm，L3_slot2=1 mm，W_slot2=0.3 mm， W1_slot2= 3.7 mm。天線(xiàn)的實(shí)物照片如圖2所示。

3 結果與討論

天線(xiàn)的測量使用了安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀，型號為N5230A。圖3為電壓駐波比（VSWR）的測量與仿真結果對比圖，這兩個(gè)結果吻合地很好。測量與仿真結果表明：該天線(xiàn)在5.15-5.825 GHz的WLAN和3.3-3.6 GHz的WiMAX兩個(gè)頻段內均滿(mǎn)足VSWR > 3，而在兩個(gè)頻段外的其他UWB頻段內基本滿(mǎn)足VSWR 2，從而有效抑制了UWB系統與這兩個(gè)通信系統之間的潛在干擾。

圖4-6是天線(xiàn)在3.1，7.0和10 GHz三個(gè)頻點(diǎn)的歸一化E面（XOZ面）和H面（YOZ面）測量仿真對比輻射方向圖。由圖可知，天線(xiàn)在低頻時(shí)其輻射特性與半波陣子相似，E面為一個(gè)8形，H面具有全向輻射特性。隨著(zhù)頻率的增加，方向圖有一定的惡化，但是其H面仍然是接近全向的，表明該天線(xiàn)在整個(gè)超寬帶頻段內具有良好的全向輻射特性。

(a) E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

圖6 天線(xiàn)在10 GHz 的輻射方向圖

圖7是天線(xiàn)的增益特性圖。在整個(gè)超寬帶頻段內，天線(xiàn)增益基本穩定在平均值為3.5 dB左右。并且在設計的兩個(gè)阻帶內，其增益有顯著(zhù)下降，在3.5和5.5 GHz兩個(gè)阻帶中心頻率的增益分別下降至-7和-4 dB，有效抑制了UWB與WLAN和WiMAX的相互影響。

圖7 天線(xiàn)增益圖

4 結論

本文提出了一種具有雙阻帶功能的共面波導饋電超寬帶天線(xiàn)。仿真與測量結果表明，該天線(xiàn)實(shí)現了在3.1-10.6 GHz頻段內VSWR 2的寬帶阻抗匹配，但是在期望的WLAN和WiMAX阻帶內天線(xiàn)滿(mǎn)足VSWR > 3，有效抑制了UWB系統與其他通信系統的潛在干擾。在整個(gè)頻段內，天線(xiàn)具有平均值約為3.5 dB的穩定增益，并且在兩個(gè)阻帶內增益有顯著(zhù)下降。天線(xiàn)還具有近似全向的輻射特性，表明該天線(xiàn)是一種性能良好、具有實(shí)用價(jià)值的超寬帶天線(xiàn)。