一种小型双陷波超宽带印刷天线

刘璐璐， 孙绪保， 石红艳， 高 飞

（山东科技大学 信息与电气工程学院，山东 青岛266590）

0 引言

随着对3.1GHz～10.6GHz频率波段的认可与分配利用，超宽频技术成为未来高速率无线通信、高精度雷达和图像系统中最有前途的技术之一。自IEEE 802.15.3a标准提出将3.1GHz～10.6GHz频段分配给超宽带使用后，超宽带通信系统越来越受到重视。UWB天线不仅要求天线具有体积小［1］、辐射效果良好、覆盖特性全向等特点，还应避免与其他通信系统的相互干扰［2］。

在规定的超宽带频段范围内存在其他通信系统可用的窄带宽，所以存在电磁干扰的问题，主要重叠的通讯频段有全球微波接入互操作性工作频率3.3GHz～3.7GHz，局域网工作频率5.15GHz～5.825GHz，卫星通信系统X 波段下行工作频率7.25GHz～7.75GHz等。能否实现小型化UWB 天线的阻带性能已成为当今社会研究的重点。用带阻滤波器连接到超宽带天线里可以抑制这些波段，但是增加了系统的复杂性，设计带有陷波特性的超宽带天线，能有效解决这一问题。即在受干扰的频段内让天线呈现较大的反射系数，降低天线的发射和接收功能，使得天线具有陷波特性。文献［3］通过对比几种天线仿真结果说明超宽带印刷单极天线可实现相对较小的尺寸，超宽带印刷缝隙天线能获得相对较高的增益，其中介绍了一种超宽带单陷波天线即在辐射体上嵌入U 型缝隙使得在5 GHz频率附近形成阻带功能以抑制局域网工作频率5.15GHz～5.825GHz。文献［4］介绍了一种采用微带线馈电，具有双陷波特性的燕尾形平面超宽带天线，即在天线的辐射体上分别嵌入了一个C字形缝隙和一对对称排布的线形缝隙以在3.2 GHz～4.3 GHz和5.3 GHz～6.2 GHz两个频段产生陷波。

近年来，已经通过大量研究仿真证明在辐射贴片里蚀刻一对T 型残端或U 型缝隙［5］，在贴片地面嵌入C 型或线型缝隙可以获得双陷波或三陷波超宽带天线［6-9］。

本文提出了一种利用微带线馈电的双陷波超宽带天线，它比单陷波频率的天线更加实用。首先将圆形单极子天线改进成有切角的超宽带天线，然后通过在贴片上蚀刻三个半圆环槽以达到5.15GHz～5.825GHz和7.25GHz～7.75 GHz实现陷波的效果。半圆环长度约为所设计陷波频率对应的半波长时，电流就集中在缝隙的周围，引起该频率附近的阻抗失配以实现天线的陷波特性。

1 天线的结构

图1所示为本文建议的天线模型。天线尺寸为25×29×0.8 mm3，介质是FR4，相对电介质常数为4.4，损耗正切角为0.02。超宽带天线由50Ω 的微带线馈线、缺角圆形贴片和三个缝隙等组成。在天线辐射单元上开槽，缝隙破坏了原先的电流分布，增加了电流路径，在待定频率上引起谐振，实现陷波效应。

图1 天线模型（单位mm）

2 天线仿真

使用Ansoft公司推出的电磁仿真软件HFSS对天线进行仿真，通过改变狭槽、辐射贴片、介质板等的大小、形状和位置对天线超宽带的带宽，陷波的带宽，带宽抑制水平等参数进行优化。

改变参数R2，R3的数值，通过影响狭槽长度对天线进行优化。利用长度约为陷波频率对应波长的二分之一的半圆环狭槽使得天线在5.45 GHz和7.4GHz处回波损耗大于-10dB，达到不干扰超宽带通信系统的目的。

由图2和图3天线的回波损耗图可以看出陷波频率随着R2和R3的减小即随着狭槽总长度的减小移动到较高的频率。

图2 R2 对天线回波损耗的影响

图3 R3 对天线回波损耗的影响

缝隙间的作用对天线各个指标也会产生影响，由图4可以看出在7.4GHz频段处，两个相同的半圆环狭槽比一个半圆环狭槽效果好，提高了天线的参数性能指标。由于在两个狭槽间产生一定的干扰，所以不同狭槽间的距离在小型辐射贴片上能减少的距离是有限的。

如图5所示，可以看出基本单极子天线的回波损耗以及缝隙S2，S3.1和S3.2各自产生的陷波频率。

图6为双频陷波超宽带天线的仿真结果。超宽带频率范围为3.1 GHz～12 GHz，在4.8 GHz～6GHz和7.15GHz～7.95GHz范围内具有陷波特性，其他范围内有良好的阻抗特性和小于-10dB 的回波损耗。图7 为天线在4.8 GHz，8.5GHz，10GHz处H 面和E 面的辐射方向图。可以看出天线在各个频率处H 面和E面有良好的辐射方向特性。

图4 只有S3.2与有S3.1和S3.2时天线的回波损耗

图5 无狭槽与有狭槽时超宽带天线的回波损耗

图6 双陷波超宽带天线的回波损耗

图7 H 面和E面的辐射方向图

3 结论

本文提出了一种小型双陷波超宽带印刷天线。陷波特性是通过在辐射板上开三个半圆环型槽，引入半波长谐振结构而获得的，从而该天线在实现小型化的同时具有双陷波特性。仿真结果显示，天线的回波损耗和全方位辐射方式符合超宽带天线的要求。该超宽带天线具有抗干扰性强，传输率高，频谱利用率高，应用广泛等优点。因此这种天线是一种具有实用价值的小型化超宽带天线。

［1］ Sun，Xu-Bao，Cao，Mao-Yong etc.A Planar Circular Disc Monopole Antenna with Improved Bandwidth［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2012，54（3）：593-595.

［2］ Z.N.Chen.UWB Antenna：From Hype，Promise to Reality［J］.IEEE Antennas Propag.Conf.，2007：19-22.

［3］ 钟顺时，梁仙灵，延晓荣.超宽带平面天线技术［J］.电波科学学报，2007，22（2）：308-315.

［4］ 周海进，孙宝华，李建峰.具有双陷波特性的超宽带天线设计与研究［J］.微波学报，2009，25（3）：13-17.

［5］ C.Y.Hong，C.W.Ling，I.Y.Tarn，etc.Design of a Planar Ultrawideband Antenna with a New Band-notch Structure［J］.IEEE Trans.Antennas Propag.，2007，55（12）：3391-3397.

［6］ K.Yin and J.P.Xu.Compact Ultra-wideband Antenna with Dual Bandstop Characteristic［J］.Electron.Lett.，2008，44（7）：453-454.

［7］ X.Qu，S.S，Zhong，W.Wang.Study of the Bandnotch Function for a UWB Circular Disc Monopole Antenna［J］.Microw.Opt.Technol.Lett.，2006，48（8）：1677-1670.

［8］ Qiu，J.，Du，Z.，Lu，J.，Gong，Ke.A Bandnotched UWB Antenna［J］.Microw.Opt.Technol.Lett.，2005，45（2）：152-154

［9］ Trang Dang Nguyun，Dong Hyun Lee，and Hyun Chang Park.Design and Analysis of Compact Printed Triple Band-notched UWB Antenna［J］.IEEE Antennas and Wireless Propag.Letters，2011，（10）：403-406.