基于U形槽和寄生条带的双陷波超宽带天线

刘 汉，高卫东，孙荣辉

（解放军电子工程学院，安徽 合肥 230037）

0 引言

自从美国联邦通信委员会（Federal Co mmunications Co mmission，FCC）于2002年将3.1～10.6 GHz频段划归为超宽带（Ultra-wideband，U WB）的民用频段［1］后，超宽带技术成为无线通信领域中极具竞争力和发展前景的焦点。作为超宽带系统的重要组成部分，新型超宽带天线的设计［2］成为近年来研究的热点。

但是，考虑到超宽带通信系统的工作频段内还存在诸如IEEE802.11a无线局域网（WLAN，5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz）、IEEE802.16全球微波互联网络（Wi MAX，3.4～3.6 GHz）和C波段卫星通信系统（3.7～4.2 GHz）等其它通信系统，这些无线通信信号会严重干扰U WB系统，为了保证超宽带系统正常工作，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。

文献［2］设计了一款超宽带天线，但没实现陷波功能，本文在其基础上，通过在天线的辐射体上嵌入U形槽和在接地板引入寄生条带的方法，实现了双陷波特性。

1 U形槽和寄生条带的陷波功能

国内外近年来的实验研究中又出现了不少文献都对具有陷波特性的超宽带天线［3－9］进行了研究。陷波超宽带天线有许多种结构，其中单极子天线形式最为常见。产生陷波的结构也有多种形式，例如在辐射贴片上加载缝隙结构［3－5］，改变接地板的结构［6－7］，或者在贴片上添加匹配枝节［8－9］等，使天线在特定频段内产生较大的反射系数，从而实现陷波。

文献［5］通过在辐射体上嵌入两种不同类型的缝隙，使天线具有双陷波功能。计算和实测结果表明，天线在通带（2～3.2 GHz、4.3～5.3 GHz和6.2～14 GHz）频段范围内满足电压驻波比小于2，在3.2～4.3 GHz和5.3～6.2 GHz两个频段内同时具有陷波特性。文献［7］通过在辐射贴片背面加上寄生单元来获得对于无线局域网（WLAN）频段的带阻特性，对寄生单元的各个参数对带阻性能的影响进行了研究，可以方便地通过改变寄生单元的尺寸来改变阻断频带的位置。

文献［2］采用方形环结构的辐射贴片，实现了超宽带的特性，但没有实现陷波，无法有效地抑制Wi MAX和WLAN系统之间的干扰，本文将采取在天线的辐射贴片上加载U形槽和在接地板上引入寄生条带的方法实现双陷波功能。

2 基于U形槽和寄生条带的双陷波超宽带天线

图1为本文所设计的超宽带天线的结构示意图。该天线制作在相对介电常数εr＝3.5、厚度H＝1.5 mm的聚四氟乙烯基板上，基板尺寸为31 mm×35 mm。当将所嵌入U形槽的总长度Ld＝Lu＋2wu近似为相应陷波频段中心频率对应波导波长的一半且U形槽的宽度s选择合适时，在该频率点及其附近输入阻抗异常，阻抗失配，使天线在该频段内产生较大的反射系数，从而获得陷波特性；同时，调整寄生条带的长度Lm和宽度Wm，也会在相应频段产生陷波特性。因此我们可以调整以上参数，实现我们所需要频段的陷波。最终所设计超宽带天线具体尺寸参数如表1所示。

图1 天线的结构示意图Fig.1 Schematic representation of the antenna

表1 天线结构中的尺寸参数Tab.1 The parameters size in the proposed antenna str ucture mm

利用电磁仿真软件HFSS 10.0对陷波前后天线的电压驻波比进行计算，所得结果如图2所示。可见，该天线在加入U形槽和寄生条带后，在3.4～4.0 GHz和5.1～5.9 GHz频段具有良好的陷波特性，有效地抑制Wi MAX和WLAN系统之间的干扰。

图2 加入U形槽和寄生条带前后天线的电压驻波比Fig.2 The VSWR of the antennas with and without U-shaped slot and parasitic strip

3 天线的陷波特性仿真及实验验证

3.1 天线陷波特性仿真

为了更清楚地了解U形槽和寄生条带的尺寸参数对天线陷波特性的影响规律，以便在可能存在潜在干扰的窄带信号频段设计出相应的具有双陷波特性的超宽带天线，接下来继续应用电磁仿真软件HFSS 10.0对影响天线性能的某些关键参数进行分析与研究，主要考察的尺寸参数有U形槽的长度Ld和宽度s以及接地板上寄生条带的长度Lm、宽度Wm。图3为U形槽的物理尺寸对天线电压驻波比的影响。

图3 U形槽的物理尺寸对天线电压驻波比的影响Fig.3 Effects of U-shaped slot physical sizes on the VSWR of the antenna

图3 表明U形槽使得天线在WLAN频段产生陷波。图3（a）显示的是U形槽的总长度Ld的变化对天线陷波性能的影响，可见随着Ld的变化，对应的中心陷波频率出现明显的变化，Ld越短则陷波中心频率越高；图3（b）显示了U形槽的宽度s的变化对天线陷波性能的影响，可见随着s的增大，对应的中心陷波频率也呈现出逐渐升高的趋势，但变化幅度并不是很明显。因此，可以通过调节U形槽的长度和宽度来实现不同频段上的陷波功能。

图4为寄生条带的物理尺寸对天线电压驻波比的影响。图4表明寄生条带使得天线在Wi MAX频段产生陷波。从图4（a）中可以看出，随着天线接地板上寄生条带长度Lm的增大，陷波频段的中心频率逐渐往低频移动；图4（b）表明随着寄生条带宽度Wm的增大，天线陷波频段对应的中心频率呈现出逐渐降低的趋势，但变化幅度都非常小。

图4 寄生条带的物理尺寸对天线电压驻波比的影响Fig.4 Effects of parasitic strip physical sizes on the VSWR of the antenna

此外，从图3和图4中还可以看出，天线中U形槽和寄生条带所产生的两个陷波频段之间的相互影响并不大，各自产生的陷波频段与二者同时存在时产生的陷波频段没有产生较大的偏移。因此，可以通过调节U形槽和寄生条带的尺寸参数实现抑制通带内任意两个频率点干扰信号的目的，增加了该天线设计和使用的灵活性。

通过电磁仿真软件HFSS 10.0仿真，图5给出了双陷波超宽带天线的电流分布情况。在通带7 GHz处，电流主要辐射贴片下端和接地板上，在U形槽附近和寄生条带上电流很小；在陷波频率3.6 GHz和5.6 GHz处，电流分别集中在寄生条带上和U形槽附近，天线在这两频率点附近产生较大的衰减和阻抗失配，形成陷波［10］。

图5 双陷波超宽带天线电流分布Fig.5 Current distribution of dual band-notched ultra-wideband antenna

3.2 实验验证

基于图1所示超宽带天线的结构示意图以及表1中该天线结构中的具体尺寸参数，本文对所设计的加入U形槽和寄生条带后的双陷波U WB天线进行了实际加工制作，天线整体尺寸为31 mm×35 mm×1.5 mm，介质基板选用聚四氟乙烯材料，介电常数εr＝3.5，图6所示为加工的实物照片。利用Agilent N5230 A矢量网络分析仪对天线的电压驻波比进行了测量，实测结果与仿真结果的对比如图7所示。

由图7可以看出，天线在3～11.1 GHz通带频段范围内满足电压驻波比小于2，在3.6～4.1 GHz和5.1～6 GHz两个频段内具有陷波特性，有效地抑制了窄带信号的干扰，达到了设计要求。仿真结果和测试结果基本吻合，作者分析两者存在的误差主要是由天线的加工误差和SMA同轴接头的焊接等因素造成的。

图6 双陷波超宽带天线的实物照片Fig.6 The photograph of fabricated dual band-notched UWB antenna

图7 天线的电压驻波比的仿真结果与实测结果对比Fig.7 Comparison of simulated and measured VSWR of t he proposed antenna

阻带带宽只是衡量天线带宽特性的指标之一，天线的工作带宽还受到方向图带宽的影响，因此还必须对天线在不同频率上的辐射特性进行计算才能得到其方向图带宽。选取3 GHz、6 GHz和8 GHz 3个频率点对天线远场进行仿真计算，得到归一化辐射方向图，如图8所示。

图8 天线的E面和H面归一化辐射方向图Fig.8 Radiation patter ns of the pr oposed antenna on E-plane and H-plane

从图8中可以看出，天线E面（y－z）方向图呈现“8”字形，与偶极子天线类似，H面（x－z）方向图在整个频段内近似为等幅全向且具有对称性，可收发各个方向的信号。虽然在高频段主瓣略有偏差，但远场方向图基本一致，满足超宽带天线整体带宽内辐射一致性的要求。

图9为天线加入U形槽和寄生条带后的增益特性曲线。由图可见，天线在整个工作频段内具有较好的增益特性，在陷波频段处增益显著下降，天线几乎不工作，表明天线具有明显的陷波特性，达到了对中心频率为3.6 GHz和5.6 GHz的两个潜在干扰频段进行抑制的目的。

图9 天线加入U形槽和寄生条带后的增益特性曲线Fig.9 Gain curve of the proposed antenna with and without U-shaped slot and parasitic strip

4 结论

本文提出了一种小型的平面超宽带天线。通过在天线的辐射贴片上加载U形槽实现了5.1～5.9 GHz频段内的陷波，在接地板上引入寄生条带实现了3.4～4 GHz频段内的陷波。仿真与测试显示，该天线在3～11.1 GHz的频带范围内具有良好的阻抗特性、辐射方向特性，在其中3.4～4 GHz和5.1～5.9GHz范围内具有双陷波特性，与相关文献相比，该天线能够有效地抑制 Wi MAX和 WLAN系统之间的干扰，是一种性能较好、实用价值高、能广泛应用于超宽带系统中的陷波超宽带天线。

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