一種小型雙陷波超寬帶天線的設(shè)計(jì)

摘要 設(shè)計(jì)了一種小型雙阻帶的超寬帶天線。采用由兩個(gè)半橢圓和一個(gè)長(zhǎng)條矩形復(fù)合的一種新型地板結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了超寬帶天線小型化。通過(guò)開(kāi)雙U型縫隙實(shí)現(xiàn)了雙阻帶特性，阻帶帶寬分別是540 MHz和610 MHz。天線實(shí)物測(cè)量結(jié)果表明，天線駐波比<2的帶寬為2．7～12 GHz，在整個(gè)頻段內(nèi)天線增益較高，同時(shí)方向圖全向特性良好。天線的測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果有較好的一致性。
關(guān)鍵詞 超寬帶；復(fù)合地板；雙陷波特性；天線小型化

    隨著室內(nèi)高速無(wú)線數(shù)據(jù)接入技術(shù)的發(fā)展，要求未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)具有更大的數(shù)據(jù)吞吐量。特別是IEEE802．15．3a標(biāo)準(zhǔn)提出分配3．1～10．6 GHz頻段給超寬帶使用后，超寬帶通信系統(tǒng)越來(lái)越受到重視?？紤]到UWB天線不僅要求天線體積小、良好的輻射效率、全向覆蓋特性，同時(shí)還要避免和其他通信系統(tǒng)相互干擾，主要重疊的通訊頻段有WLAN(5．2～5．8 GHz)、WIMAX(3．3～3．6 GHz)，和C波段(3．7～4．2GHz)雷達(dá)通信系統(tǒng)，因此能否實(shí)現(xiàn)小型化UWB天線及雙阻帶性能已成為研究重點(diǎn)。
    微帶天線以其剖面薄、體積小、重量輕、可與載體表面相共形、易集成、成本低、容易制作等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，常見(jiàn)的小型UWB天線主要包括印刷型單極子和寬縫隙天線。從上述背景出發(fā)，文中設(shè)計(jì)了一種雙U縫隙的UWB天線，帶寬2．9～12．4 GHz(VSWR<2)，在滿足天線性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了雙阻帶功能540 MHz(3．28～3．82 GHz)和610 MHz(5．17～5．78 GHz)。在天線的設(shè)計(jì)中，地板采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，兩個(gè)半橢圓通過(guò)一個(gè)矩形長(zhǎng)條連接，通過(guò)調(diào)節(jié)矩形寬度W1可達(dá)到高頻匹配，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)天線的小型化，這種小地板在一定程度上降低了雷達(dá)散射截面；輻射板采用圓形輻射板CDM，通過(guò)調(diào)節(jié)其半徑可以實(shí)現(xiàn)低頻段的阻抗匹配；輻射板上的雙U縫隙的作用是產(chǎn)生雙阻帶，避免與其他通訊系統(tǒng)的相互干擾。
    在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量仿真實(shí)驗(yàn)，獲得天線的具體結(jié)果參數(shù)。最后通過(guò)實(shí)物測(cè)量，顯示天線性能基本得到滿足，因此UWB天線具有實(shí)用價(jià)值。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    天線的具體尺寸結(jié)構(gòu)如圖1所示?；趫A形輻射板的超寬帶天線理論已被廣泛引用。本文設(shè)計(jì)的超寬帶天線輻射板采用圓形輻射板，在天線設(shè)計(jì)中采用了新型的復(fù)合地板，它由兩個(gè)半橢圓通過(guò)一個(gè)矩形長(zhǎng)條連接而成，通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)合地板的寬度W1、橢圓主半徑和長(zhǎng)短軸比，可以實(shí)現(xiàn)高頻段的阻抗匹配。天線的雙陷波特性是通過(guò)在饋線和輻射板上設(shè)計(jì)雙U型縫隙來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)U型縫隙開(kāi)在了饋線和輻射板之間，在改善天線的駐波比特性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了陷波特性。

    圓形輻射板(半徑r)和微帶饋線印制在FR4介質(zhì)板的同一面，F(xiàn)R4介質(zhì)板厚度h=0．8 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=4．4，尺寸為L(zhǎng)×W。饋線寬度設(shè)計(jì)為Wf=5 mm與50 Ω端口進(jìn)行匹配。介質(zhì)另一面印制了一個(gè)寬度W1=0．1 mm的矩形和兩個(gè)半橢圓，它的主半徑3．7mm，長(zhǎng)短軸比為2．5。圖1中，單位為mm，W=20，L=31，R=10，Wf=5，W1=0．1，W2=8，W3=3．4，L1=10，L2=7．8，s1=1，s2=0．8，s3=0．6、h=1。
    新設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是，在固定介質(zhì)板尺寸的前提下，不改變天線的寬度W，只改變W1就能實(shí)現(xiàn)地板電流長(zhǎng)度的改變，因此這個(gè)起連接作用的矩形長(zhǎng)條，在電路中就相當(dāng)于一個(gè)阻抗變換器。在天線設(shè)計(jì)中為實(shí)現(xiàn)天線的小型化，可以通過(guò)調(diào)節(jié)地板的W1使得天線的駐波比特性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)天線的寬度W=20 mm情況下，W1尺寸變化對(duì)天線駐波比的影響如圖2所示，從仿真結(jié)果和可實(shí)現(xiàn)的角度考慮確定了W1=0．1mm，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線小型化天線的設(shè)計(jì)。

    天線采用在饋線和輻射板上設(shè)計(jì)雙U型縫隙實(shí)現(xiàn)了雙陷波特性。以往文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的天線縫隙都是開(kāi)在輻射板上，而在文中，其中一個(gè)U型縫隙開(kāi)在了輻射板和饋線的連接部分，它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于不僅可以產(chǎn)生諧振實(shí)現(xiàn)陷波，同時(shí)改善了天線的駐波比特性。圖3給出了天線上雙U型縫隙開(kāi)槽前后對(duì)天線駐波比的影響。從圖中可以看出，在天線上開(kāi)雙U型縫隙后，天線不僅實(shí)現(xiàn)了雙陷波特性，同時(shí)天線的帶寬達(dá)到2．7～12 GHz，完全覆蓋了超寬帶所規(guī)定的頻段3．0～10．6 GHz。腐蝕在饋線和輻射板上的U型縫隙尺寸分別設(shè)為S1，S2和S3，具體可見(jiàn)圖1所示，其大小直接影響阻帶帶寬，仿真優(yōu)化后S1、S2和S3最終取值分別是1．0mm，0．8mm和0．6mm。

    雙U型縫隙的長(zhǎng)度L1、L2直接影響陷波中心諧振頻率，圖4給出了L1、L2變化時(shí)天線的駐波比特性。從圖中看出，長(zhǎng)度變短時(shí)，陷波中心諧振頻率升高，否則相反。通過(guò)分析可知，縫隙的本質(zhì)作用相當(dāng)于1／2波長(zhǎng)諧振器。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化最終確定了L1=10mm、L2=7.8mm。

2 結(jié)果分析
    天線仿真使用Ansoft公司的高頻仿真軟件HFSS11，天線駐波比測(cè)量使用Aglent E8363B網(wǎng)絡(luò)分析儀。駐波比的仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的比較如圖5所示。測(cè)量結(jié)果表明整個(gè)天線的帶寬為2．7～12 GHz，滿足UWB的工作帶寬要求。并且實(shí)現(xiàn)了雙阻帶特性，兩個(gè)阻帶帶寬分別為3．3～4．2 GHz和5．15～6．1 GHz。仿真和測(cè)量結(jié)果在低頻吻合，高頻段時(shí)測(cè)量的駐波比結(jié)果稍大于仿真的結(jié)果，兩個(gè)阻帶稍有右移，這是由加工的精確度和介質(zhì)材料的介電常數(shù)不均勻引起的，這種誤差在應(yīng)用中是允許的。

    為考察天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)的輻射特性，測(cè)量了工作頻率為3GHz，6GHz和9 GHz時(shí)的天線的E面和H面的輻射方向圖，具體如圖6所示。天線的H面輻射方向圖具有良好全向特性，不圓度不超過(guò)8 dB。整個(gè)頻段內(nèi)其輻射方向圖的形狀能保持穩(wěn)定且具有較好的不圓度，滿足超寬帶通信系統(tǒng)對(duì)天線輻射特性的要求。

    天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)的增益特性如圖7所示。從圖中可以看出，該天線在整個(gè)頻段內(nèi)具有比較平坦的增益，增益基本在3～6 dBi之間，在3．6 GHz和5．7 GHz頻率附近，增益下降至-12 dBi和-9．6 dBi，明顯出現(xiàn)了雙陷波特性。綜合阻抗帶寬、方向圖帶寬和增益帶寬的仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果，可見(jiàn)這種天線具有小型超寬帶特性的同時(shí)具有兩個(gè)阻帶，是一種性能良好的抗干擾UWB天線。

3 結(jié)束語(yǔ)
    文中提出了一種新型小型化超寬帶天線。小型化是在固定天線寬度的情況下改變地板實(shí)現(xiàn)的；陷波特性是通過(guò)在饋線和輻射板上開(kāi)兩個(gè)U型縫隙，引入半波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)而獲得的，從而該天線在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)還具有雙陷波特性。研究結(jié)果顯示，天線的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都有較好的一致性，在2．9～12 GHz的頻段范圍內(nèi)具有良好的阻抗特性和輻射方向特性，在3．3～4．2 GHz和5．15～6．1 GHz范圍內(nèi)具有陷波特性，因此這種天線是一種具有實(shí)用價(jià)值的小型化超寬帶天線。