基于SRR结构具有陷波特性的超宽带天线

(空军工程大学 电讯工程学院，西安 710077)

1 引 言

超宽带(UWB)技术是无线通信领域中极具竞争力和发展前景的热门技术之一。根据2002年美国FCC的规定以及2004年IEEE 802.15.3a的建议,超宽带通信的频段确定为3.1～10.6 GHz。近两年来,日本和欧洲各国又相继重新划分了超宽带通信的频段:2006年下半年,日本政府开放的超宽带无线系统的频段为3.4～4.8 GHz和7.25～10.25 GHz;2007年3月,欧盟正式公布超宽带无线技术频段为3.4～4.8 GHz和6～8.5 GHz,欧盟成员国须在此频段范围内使用UWB设备,并规定低频段的最终使用期限至2010年10月31日,上述设备须在规定期限前转到6～8.5 GHz频段[1]。

可见,随着超宽带通信频段的重新划分,原有的3.1～10.6 GHz频段与WiMax增补频段(基于IEEE802.16标准)、5.15～5.825 GHz频段无线局域网(WLAN)重叠的频带将不能使用。为了降低系统之间的相互干扰，提高频谱利用率,可以采取不同的方法,包括采用各种信号处理技术提高频谱利用效率,或用多个不同频段、空间上隔开一定距离的收发天线进行分集等。最简单、直接的方法还是使超宽带天线在相应的频段内具有较大的反射系数、出现“陷波”(带阻)特性而呈现收发“钝态”。因此,具有陷波功能的小型平面超宽带天线已经成为近年来的一个热门研究课题。

陷波特性超宽带天线的概念最早是由美国工程师Schantz H G提出的,通过在椭圆偶极子天线上制作尖劈状或圆环形开槽[2],调整槽结构的长度,使之等于需要抑制的中心频率对应波长的四分之一或一半,成为“四分之一波长谐振结构”或“半波长谐振结构”,即可在相应的中心频率上引入陷波特性。在此之后,越来越多具有陷波特性的天线被研究，实现方法也多种多样。在贴片上或底板上开槽应用最广泛，槽的形状也各式各样，有直的、三角形的、C形的、H形的、U形的，还有π形的[3-10]，不同形状的槽使天线具有不同的陷波特性，目的都是为了避免通信干扰。

最早，SRR(Split Ring Resonator)结构是Pendry等人提出的，用来实现双负媒质的等效负磁导率[11]，后来， Yang X等人根据Marques等人的理论[12-13]，提出了一种基于SRR结构的超宽带天线[14]，其工作频段为3～11 GHz。本文利用U型槽加载技术对该该天线进行改进，并且将原来的微带线馈电形式改为共面波导馈电形式，加工实现了一种具有陷波特性、能够屏蔽无线局域网信号干扰的超宽带天线，在现代通信中具有良好的应用前景。

2 天线结构分析及设计

Yang X等人提出的基于SRR结构的超宽带天线，其馈电形式为微带馈电，本文采用的是共面波导馈电。为获得50 Ω特性阻抗的共面波导，运用TXline阻抗运算软件计算得馈线的具体尺寸为：中心导带宽度g1设置为2.08 mm,导带与地间的缝隙g2设计为0.2 mm。天线末端焊接SMA接头，并连接同轴电缆进行馈电。

改进后的天线的具体结构如图1所示，所有的结构都镶嵌在厚度为1.5 mm、相对介电常数为4.2的聚酰亚胺双面覆铜板上，介质板宽度W=40 mm，长度L=30 mm。在基板中心镶嵌一个SRR结构——天线的辐射单元，其由两个同圆心的开口环组成(小环内径r1=2.2 mm，宽度d1=3.7 mm，两环之间缝隙d2=1.44 mm，大环宽度d3=6.32 mm，两环开口宽度slot=0.27 mm)。在该SRR结构上加载了一个U型槽(wx和ly分别为缝隙在X、Y方向上的长度，sx和sy分别为缝隙在X、Y方向上的宽度)，调整其结构参数可改变天线的阻带性能。因此，本文主要考察U型槽的尺寸。

图1 改进后天线结构示意图Fig.1 Schematic representation of improved antenna

根据缝隙总长度Ls的表达式为

Ls=wx+ly-sx-sy

(1)

在天线上开U型槽的方法相当于在天线上加载了一个缝隙谐振器形成陷波功能，所加载的缝隙长度为陷波中心频率介质波长的一半，其近似公式为[15-16]

(2)

式中，c为真空中的光速，fnotch为陷波的中心频率，εr为介质相对介电常数。综合式(1)～(2)可计算得到U型缝隙的初始尺寸：wx=5 mm，ly=10 mm，sx=1.1 mm，sy=0.6 mm。

衡量一个天线性能的重要指标是天线馈电端口的电压驻波比。定义如下：在不匹配时，馈线上同时存在入射波和反射波，在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方，电压振幅相减为最小电压振幅度Vmin，形成波节。波腹电压幅度与波节电压幅之比称为电压驻波比，记为

(3)

式中，Zl、Z0分别为传输线终端负载阻抗和特性阻抗。当终端负载阻抗Zl和特性阻抗Z0越接近，反射系数R越小，电压驻波比VSWR越接近于1，匹配也就越好。在工程中，通常取VSWR<2为衡量标准，而“陷波”功能则要求在需要抑制的频带范围内VSWR>2。

根据该标准，为了使天线的阻断频带与无线局域网频段(5.15～5.825 GHz)接近，运用ANSOFT HFSS软件对wx、ly、sx、sy的初始尺寸进行仿真优化，以调节阻断频带宽度和中心频点，进而设计出具有良好阻带特性的超宽带天线。

经过软件优化，U型槽的尺寸为：wx=4 mm，ly=11 mm，sx=1.3 mm，sy=0.5 mm。

3 仿真和测试结果

运用ANSOFT HFSS软件进行仿真，分别优化U型槽各参数后(每一个参数仿真过程中，其它参数已设为最佳值)，当各参数同时取最佳值时，最终得到的VSWR频率特性如图2所示，天线在3～11 GHz的频带范围内VSWR<2，其中，在4.5～5.82 GHz的频带范围内VSWR>2，实现了在该频段内的带阻特性，而改进前的天线在3～11 GHz的频带范围内VSWR<2，无陷波特性。

图2 驻波比VSWR随频率变化曲线Fig.2 VSWR vs. frequency

根据上述优化后的天线结构尺寸，对图1所示的天线进行了加工(见图3)。采用Agilent-N5230A矢网仪对该改进后的天线的驻波比随频率变化曲线进行了测试，结果见图2，天线在3～11 GHz的频带范围内VSWR<2，其中，在4.4～5.7 GHz的频带范围内VSWR>2。可见，测试结果较仿真结果阻带向低频稍有偏移，结果比较吻合。

阻抗带宽只是衡量天线带宽特性的指标之一，还必须考察天线是否具有稳定的方向图带宽。图4～6分别给出了天线在特定频点处的xy、xz、yz平面的增益方向图，可以看出，该天线在低频端具有水平全向辐射性能；而随着频率的升高，天线的最大辐射方向向两侧偏移，出现波束上翘现象；在高频端，天线的副瓣增多，最大辐射方向出现在天线的两侧。总之，该天线在水平面内具有比较好的全向性。

图4 天线的xz平面的增益方向图Fig.4 xz plane beam pattern of antenna

图5 天线的yz平面的增益方向图Fig.5 yz plane beam pattern of antenna

图6 天线的xy平面的方向图Fig.6 xy plane beam pattern of antenna

图7所示的是天线的增益特性。从图中可见，天线在整个频段内基本具有比较平坦的增益特性，平均增益为4 dB左右；在4.4～5.7 GHz频段内，增益显著下降至-15 dB左右，较其它频段下降了19 dB，表明天线具有明显的陷波功能。

图7 改进后天线的增益随频率变化曲线Fig.7 Gain vs. frequency of improved antenna

4 结 论

U型槽加载使天线具有陷波特性，通过调整U型槽的结构参数可以改变天线的阻带中心频率及带宽。本文采用U型槽加载技术，改进了Yang X等人提出的SRR结构的超宽带天线，制作了一副具有陷波结构的超宽带天线。仿真及测试结果表明：改进前，天线的工作频段为3～11 GHz，无陷波特性；改进后，天线在4.4～5.7 GHz频段具有良好的陷波特性,并且在其它频段具有良好的辐射性能，达到了屏蔽无线局域网信号干扰的目的，测试结果和仿真结果基本吻合。该天线具有可调的工作频段，并且具有良好的频带抑制特性和辐射特性，适合于复杂环境下的便携式无线通信系统。

参考文献：

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