超寬帶平面天線中實現頻帶抑制的方法

超 寬帶天線在軟件無線電系統(tǒng)、寬帶無線接入、電子對抗、探地雷達和電磁兼容測量等方面具有廣泛的應用前景。隨著超寬帶平面單極子天線研究的深入及其廣泛應 用，在FCC(Federal Communications Commission)分配的UWB頻段(3.1～10.6 GHz)中，對其他固定頻段的設備(如WLAN IEEE802.11a．對應頻段5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz以及HIPERLAN／2對應頻段5.15～5.35 GHz，5.47～5.725 GHz)將產生干擾，嚴重地影響了這些設備的正常工作。如何在超寬帶中實現頻帶抑制而不影響通帶內的性能，成為超寬帶天線設計的研究熱點。本文從不同結構 的超寬帶平面單極子天線實現頻帶抑制的方法出發(fā)，研究實現頻帶抑制的基本原理和常用方法。

1頻帶抑制的基本原理和實現方法

在 超寬帶平面單極子天線中，實現頻帶抑制的基本原理和方法就是設法避免產生或者消除天線上被抑制頻段對應的電流。而消除抑制頻帶對應的電流，應通過改變天線 的結構實現，這樣天線上的電流分布也將發(fā)生變化，其對應的有效電長度是被抑制頻帶波長的1／2或者1／4。被改變電流分布后的天線相當于增加了一個帶阻濾 波器，從而實現頻帶抑制。在超寬帶平面單極子天線中常用改變電流分布實現頻帶抑制。對于不同的超寬帶平面單極子天線結構，實現頻帶抑制的方法不同。下面進 行具體的分析。 1.1 開孔、開槽平面貼片單極子天線實現頻帶抑制的方法
對于輻射貼片中開方 形、圓形或者橢圓形等形狀的平面天線結構，通常采用在開孔部位對應的接地面上增加寄生單元，通過寄生單元來改變電流的分布實現頻帶抑制。即通過引入寄生單 元，在被抑制的頻帶范圍內，寄生單元上的電流方向與輻射貼片上的電流方向相反，從而在超寬帶頻譜上實現頻帶抑制。

圖1 (a)、(b)所示天線結構為倒鐘型的輻射貼片、帶有凹槽的部分接地面以及寄生縫環(huán)。倒鐘型的輻射貼片可以增加低頻段的有效電長度，通過調整部分接地面上 的凹槽尺寸可以獲得很寬頻帶內較好的阻抗匹配，上凸形的接地面可以進一步地改善超寬帶的阻抗匹豌特性。寄生環(huán)的引入改變了天線貼片上的電流分布，實現頻帶 抑制，其中寄生環(huán)的半環(huán)長度L大約為1／4波長，通過調整半環(huán)長度L可以實現在不同頻率的抑制(圖1(c))。

開橢圓形孔的半橢圓形輻射，貼片，以及矩形條狀寄生單元如圖2所示。在輻射貼片邊緣開階梯狀槽可以實現高頻段的良好阻抗匹配。地面開凹槽的上凸形平面可以 實現很好的超寬帶特性。橢圓形孔正對的接地面，增加矩形條狀寄生單元來實現頻帶抑制，此單元改變天線上的電流分布，寄生單元的不同長度和寬度可實現不同頻 帶的抑制，同時由圖2還可以看出被抑制的頻帶對長度的響應要比對寬度的響應更為敏感。

通過在輻射貼片開U型槽以實現頻帶抑制，如圖3所示。通過邊緣階梯化以及改善饋線兩邊的匹配程度實現超寬帶性能，在輻射貼片上開U型槽，可以改變槽兩邊的電 流分布，電流方向相反，從而實現頻帶抑制。被抑制的頻帶由U型槽的尺寸決定，改變U型槽的長度和寬度可以改變被抑制的頻帶。fh長度越短被抑制的頻段越 高，fw寬度越寬被抑制的頻段越高。

1.2不規(guī)則形狀平面貼片單極子天線實現頻帶抑制的方法
如 圖4所示，位于微帶饋線與輻射片中間的傾斜的兩條微帶(左圖)，其寬度與長度之比(W2／L2)對于天線在頻帶內的阻抗匹配起著重要的作用。而接地面的長 度L5可以進一步改善阻抗的匹配程度。為了獲得指定頻段的抑制，在輻射兩分支貼片的頂端進行容性加載，即將兩貼片向接地面折合，與輻射貼片相連，折合面的 長度為介質板的厚度。這種容性加載等效為工作在需要抑制的頻帶內的串聯諧振器，同時在接地面的上方增加兩個寄生貼片單元，調節(jié)這兩個貼片的尺寸就可以調節(jié) 被抑制的頻帶，通過容性加載以及寄生貼片單元的作用，從而實現了頻帶抑制特性。

對于天線輻射貼片比較小，通過邊緣階梯化不規(guī)則形狀的超寬帶平面單極子天線，可以通過在輻射貼片對應的兩邊的背面增加寄生單元來改變天線上的電流分布，實現 頻帶抑制。如圖5所示，天線由帶有階梯狀的弧形邊貼片、部分接地面和寄生單元三部分組成。邊緣階梯有助于改善高頻段的阻抗特性，獲得較大的帶寬。寄生單元 實現指定頻率范圍內的頻帶抑制，通過改變寄生單元的長度實現不同頻率范圍內的阻帶。

1.3 非PCB結構的平面單板子天線實現頻帶抑制的方法
對于非PCB結構的平面單極子天線來講，通常使用在輻射單元中開槽或增加輻射單元改變天線上電流分布或相位來實現頻帶抑制。
在天線的輻射金屬面上開U型槽，天線的結構如圖6所示。當U型槽的長度為希望抑制的頻帶波長的1／2時，天線上對應于抑制頻帶內的電流分布改變，從而實現頻帶抑制。通過在輻射金屬面上開多個U型槽可以實現多個頻帶的抑制。

在天線的輻射金屬環(huán)片外邊緣上開多個凹槽可以改善在超寬帶內的阻抗匹配特性，在金屬環(huán)的內部附加反C型的單元，如圖7所示。由于金屬環(huán)的內邊緣的電流分布與反C型單元外邊緣的電流分布相反，從而實現了頻帶抑制。改變r1，h2，l1的值可以改變被抑制的頻帶范圍。

如 圖8所示天線的結構及阻抗特性，天線由不同大小的梯形輻射面A，B構成，兩個輻射面接在同一導體面上，50 Ω饋電線連接在此導體面。在被抑制的頻率范圍內，由于輻射面A，B上電流分布的不同相，從而實現頻帶抑制。調整兩個輻射單元中小的單元B的尺寸可以改變被 抑制的頻帶。調整兩個輻射單元間的距離也可以改變被抑制的頻帶，增加距離，被抑制的頻帶會降低，同時其VSWR在超寬帶范圍和被抑制頻帶內都會增加。

2結語

通過分析在超寬帶平面單極子天線中實現頻帶抑制的天線結構，總結了在實現頻帶抑制中不同結構的天線所采用的不同的方法。研究表明，改變天線的局部結構可以實現天線上電流分布的改變，從而實現頻帶抑制。這些方法對超寬帶天線設計和頻帶抑制具有一定的指導作用。