一种新型陷波特性超宽带天线设计

胡帅江，王光明，张晨新，郑 龙

(空军工程大学导弹学院，陕西 三原 713800)

责任编辑:时 雯

近年来，随着无线通信系统的迅速发展，超宽带(Ultra-wideband，UWB)天线以其具有传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低、抗干扰能力强等技术特点，使得它在雷达系统、通信领域、军事等方面受到越来越多的关注［1］。超宽带通信的频段确定为3.1～10.6 GHz［2］，但随着超宽带通信频段的重新划分，原有的频段与WIMAX增补频段(基于IEEE 802.16标准)、5 GHz频段无线局域网(HiperLAN)重叠的频带将不能使用，从而产生了问题。

为了降低系统之间的相互干扰、提高频谱利用率，可以在系统的天线端加入陷波结构［3-8］。目前产生陷波特性的结构有多种形式，例如在贴片上加载缝隙结构或者在贴片上添加匹配枝节等，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。本文设计了一个具有双陷波特性的超宽带平面单极子天线。该天线的辐射贴片与接地板结构相似，通过在辐射贴片上加载U型槽以及在馈线一侧加载新型陷波结构分别在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz产生陷波。通过对加工好的天线进行测试，验证陷波处天线的辐射效率和增益较低，形成带阻，解决了UWB与WLAN，WiMAX之间相互干扰的问题。

1 天线的结构设计

设计的天线采用尺寸为24 mm×32 mm×0.508 mm、介电常数εr=2.2的罗杰斯5880作为介质板材料。天线采用50Ω阻抗匹配微带馈电，辐射贴片与接地板结构相似，通过在辐射贴片上加载U型槽以及在馈线一侧加载新型陷波结构分别在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz产生陷波，其中U型缝隙长度近似为陷波处对应波长的一半，实现了UWB与WIMAX频段和WLAN频段的电磁兼容，天线正面、背面以及寄生单元结构如图1a、图1b、图1c所示(其中深色部分为金属)，用HFSS10对天线进行仿真优化得天线的尺寸参数见表1。

表1 天线结构尺寸 mm

图1 天线结构示意图

2 天线陷波原理

从天线电流密度分布方面对3.5 GHz频段处以及5.5 GHz频段处的陷波特性产生的原因进行了诠释，用HFSS软件对天线加入缝隙结构和寄生结构前后的电流幅度分布进行仿真，结果如图2所示。

图2中，a图为天线未加载缝隙时的电流分布，b图为天线加载寄生单元等效结构时在5.5 GHz频率处的电流分布，c图为天线加载缝隙及寄生单元结构后在3.5 GHz频率处的电流分布，d图为天线加载缝隙及寄生单元结构后在5.5 GHz频率处的电流分布。比较4幅图可以看出，天线未加载缝隙及寄生单元时表面电流主要分布在馈线以及贴片与地面边缘处，天线能正常辐射;天线加载缝隙后表面电流主要集中在缝隙附近，天线不能正常辐射，即在3.5 GHz处于陷波状态;天线加载馈线旁边的寄生单元后5.5 GHz处的表面电流主要集中于单元上，天线无法正常辐射，加载寄生单元等效结构时也有类似的效果。

按照电路理论分析，加载缝隙相当于引入电感和电容的并联电路，从而在原有的匹配电路中增加了一个并联谐振点，造成阻抗不匹配，形成较大的反射系数，加载寄生陷波单元原理上相当于加载了对应频率的滤波器，从而实现陷波，其等效电路如图3所示，滤波器的谐振频率点F可由式(1)大致得出，其中L为电感，C为电容。天线加载缝隙及寄生单元结构前后的阻抗变化如图4所示，图中，im(Z0)、im(Z0)分别表示天线加载陷波结构前的电阻和电抗，im(Z1)、im(Z1)分别表示天线加载陷波结构后的电阻和电抗。比较陷波结构加入前后的阻抗曲线可得，天线加载陷波结构后天线在陷波处明显阻抗失配，这便是产生陷波的原因。

式中:c为自由空间中的光速;fb为陷波处的谐振频率;εe为等效介电常数。

在图1中，U型缝隙结构对应3.5 GHz陷波频段，寄生结构单元对应5.5 GHz陷波频段，两结构之间基本无影响。其中调节缝隙的长度可以调节谐振点的位置，调节缝隙的宽度可以改变陷波频段的宽度，缝隙越宽，陷波频段越宽;而加载的寄生单元则比较难以调节，寄生单元的尺寸、位置以及其中金属化过孔的尺寸和位置对陷波性能都有很大的影响，而且陷波结构尺寸与陷波频率的数值对应关系还不是十分明确，将于下一步进行深入的理论研究。谐振点引入缝隙长度l的近似公式为

3 天线的仿真、测试与分析

用Ansoft HFSS10仿真软件对加载陷波结构加入前后的天线进行仿真，并对设计的天线进行了加工和测试，天线加工实物图如图5所示。

图5 天线实物图

图6给出了天线的S11曲线，其中包括加载陷波结构前、加载寄生单元等效结构、加载双陷波结构及实测的S11仿真曲线。由图可得天线加载寄生单元与寄生单元等效结构的仿真结果基本相近，双陷波天线S11的仿真结果与实测结果基本一致，阻抗带宽大于4.5∶1，加载缝隙后天线分别在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz频段处产生陷波，但是也伴随着对通带内的回波损耗特性的小幅度影响。天线的部分频段增益仿真结果如图7所示，通带内增益基本大于5 dB，适用于移动通信，阻带内增益分别下降7 dB和3 dB，陷波抑制作用比较明显。

图8给出了天线加载缝隙后分别在3 GHz，6 GHz，9 GHz的方向图仿真结果。从图中可以看出，整个频段GainPhi和GainTheta方向图基本相似，这是由天线本身的结构决定的。随着频率的升高，天线主辐射方向的波瓣宽度逐渐增大，而且在整个频带范围内，天线的辐射方向图基本一致，近似为全向辐射，满足UWB天线在整个频带范围对辐射方向图的要求。

图8 天线增益方向图

4 结论

本文提出了一种新型双陷波特性超宽带平面天线，天线采用50Ω阻抗匹配微带馈电，辐射贴片与接地板结构相似，尺寸仅为24 mm×32 mm，易加工且便于集成，设计的天线阻抗带宽覆盖了3～13.5 GHz的频率范围，带宽比大于4.5∶1，且方向图特性良好。通过在辐射贴片上加载U型槽以及在馈线一侧加载新型陷波结构分别在3.3～3.8 GHz和5.3～5.6 GHz产生陷波，实现了UWB与WLAN频段和WIMAX频段的电磁兼容，并对陷波原理进行了理论分析。天线的理论计算结果、仿真结果和实测结果基本吻合，表明通带内天线的辐射效果良好，阻带内天线增益明显下降，有效实现了陷波抑制辐射作用。

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