三阻带特性的超宽带天线研究与设计

白玉，杨晓冬

(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

随着现代科学技术的迅速发展，低功率及高传输速率成为现代无线通信关键技术.特别是2002年美国联邦通信委员会开放了3.1～10.6 GHz超宽带通信无线电频段的商业许可.超宽带技术由于其高传输数据成为了目前通信技术的一个研究热点.

室内无线通信要求超宽带天线具有体积小、重量轻及全向性好的特点.目前已经有很多的天线设计可以满足3.1～10.6 GHz超宽带通信无线电频段通信的需要.例如:曲线形天线［1］、菱形天线［2］、环形天线［3］、蝴蝶结形天线［4］、三角形天线［5］及正方形带T型槽的天线［6］.但是由于超宽带频段带宽太宽，与目前已经存在的一些窄带系统存在频段交叠的现象.这些窄带的通信系统包括:WLAN、Wimax、IEEE 802.11a频段及C波段和X波段卫星通信频段.考虑到此，很多研究者设计出带有阻带抑制特性的超宽带天线来减小窄带通信对超宽带系统的影响［7-11］.例如:寄生参数［7］或槽孔天线［8］、SSRs 天线［9］、C 型天线［10］及 E 型天线［11］等.但是目前大部分阻带抑制的天线仅仅可以完成单阻带和双阻带的抑制，无法完成三阻带抑制的设计.更为严重的是目前的阻带抑制天线设计很难对阻带中心进行控制，设计不够灵活.

本文提出一款紧凑的共面波导馈电的超宽带天线，其具有独特的三阻带抑制特性.三阻带抑制特性是由缺陷地结构和多阶开路存根结构带来的.对此天线进行了详细的分析和研究，并进行了实际的制作和测试.

1 天线基本结构

图1展示了所设计天线的整体布局.天线整体印制在厚度1.6 mm，相对介电常数2.65的聚四氟乙烯材料上.天线的整体尺寸为21 mm×28 mm(L×W).整体天线包含矩形宽槽结构、叉状辐射结构、嵌入的三阶开路存根结构、嵌入缺陷地结构及50Ω共面波导馈电结构.矩形宽槽结构的关键参数是L和W;叉状辐射结构的关键参数是L4和W5;嵌入的三阶开路存根结构的关键参数是L5、L6、W3和W4;嵌入缺陷地结构的关键参数是L1、L2、W1和W2;50Ω共面波导馈电结构的关键参数是W6和s.嵌入的三阶开路存根结构和缺陷地结构可以产生需要的3个阻带.嵌入的三阶开路存根分为2组，第1组是由第1阶stub和第3阶stub组成.这1组完成第1个阻带的设计，第2组是由第2阶stub结构组成.这1组完成第2个阻带的设计.缺陷地结构完成最后1个阻带的设计.

图1 天线布局Fig.1 Geometry of the antenna

2 天线相关参数分析及优化

图2展示了所设计天线的整体的设计过程.过渡天线1本质上就是在原型天线的基础上使用阶跃阻抗变换的缺陷地结构(SIR-DGS).实际上，缺陷地结构(DGS)在滤波器的设计当中比较常见.近年来也有相关的一些研究者把这个结构引入到天线的设计当中.本文的作者之前也对缺陷地在天线中的应用做了大量的相关研究［12-22］.但是目前对于天线中的缺陷地结构的应用大多停留在普通的矩形槽的基础上，本文创新地引入了SIR-DGS结构.对于普通的DGS结构而言，槽孔的长度是唯一的关键参数.这个长度可以通过式(1)得出［12］.式中:L表示槽孔的长度，εre表示相对介电常数，c为光速.对于SIR-DGS而言，在继承普通的DGS结构优点的基础上，增加了第2个可调关键参数W2.在布局长度尺寸受到限制的时候，可以通过调整槽孔的宽度来完成对阻带的精确设计.这样就可以增加系统的设计自由度.

图2 天线的设计流程Fig.2 Process of the proposed UWB antenna

图3(a)描述了基于普通的DGS结构下，电压驻波比(VSWR)随着L2的变化规律.从中可以看出，随着L2的增加，阻带的中心随之降低.但是由于本天线尺寸的限制，L2的尺寸不可能无限制的增加.故此使用普通的DGS设计只能完成5～7 GHz的阻带设计.但是本设计希望DGS可以在4 GHz附近完成阻带的设计，故此引入了SIR-DGS.图3(b)描述了基于SIR-DGS结构下，VSWR随着W2的变化规律.从图中可以看出，随着W2的增加，阻带的中心实现更大程度的降低.换句话说使用SIR-DGS可以完成4 GHz附近阻带的设计.为了进一步研究天线的特性，这里使用仿真软件对天线的表面电流进行仿真分析.图4展示了在不同频率下的天线的表面电流.图4(a)和(c)展示了天线处于通带的情况下的表面电流分析.在这样的情况下，表面电流主要集中在CPW馈电和叉形辐射片附近，在SIR-DGS附近电流较小.图4(b)展示了天线处于阻带的情况下的表面电流分析.在这样的情况下，表面电流主要集中在SIR-DGS附近，在CPW馈电和叉形辐射片附近电流较小.换言之，在SIRDGS附近的强电流可以激发出阻带特性.

图3 仿真VSWR随着W2的变化规律Fig.3 Simulated VSWRs with W2

图4 过渡天线1在不同频率下的表面电流分布Fig.4 Simulated current of the proterotype antenna in different frequencies

过渡天线2在原型天线的基础上嵌入3阶开路stub结构.3阶开路stub的基础是普通stub结构.过渡天线2可视为如图5所示的2个天线的复合.

本质上图5中的天线(a)和(b)都是基于普通的stub结构，有所区别的是(b)为了可以和(a)复合把stub移到了2边，同时为了保证天线的全向特性所以变为2阶stub.对于stub结构而言，长度是关键的参数.由以前的研究可知，这个长度与阻带的中心频率关系仍然可以由式(1)得出.不过此时的L表示的是stub的长度.图6展示了过渡天线2的复合的过程.基本上过渡天线2(图5中的(c)天线)可以视为图5中所示的天线(a)和(b)的复合.进一步分析过渡天线的关键参数，这里继续对过渡天线2进行研究.图7展示了过渡天线2的VSWR随着L5和L6的变化规律.图7(a)中所示，过渡天线2的第1个阻带的中心频率随着L6的增加而逐渐减小.基本上可以看出这个阻带的调整范围为5～7 GHz.图7(b)中所示，过渡天线2的第2个阻带的中心频率也随着L5的增加而逐渐减小.基本上可以看出这个阻带的调整范围为7～9 GHz.

图5 过渡天线2的设计过程Fig.5 Design process of the proposed antenna 2

图6 图5中所示3个天线的|S11|和VSWR仿真结果Fig.6 Simulated|S11|and VSWR with proposed antennas in Fig.5

与上面对SIR-DGS的分析类似，这里也对嵌入3阶的stub天线进行了表面电流仿真.图8展示了在不同频率下的天线的表面电流.图8(a)和(d)展示了天线处于通带的情况下的表面电流分析.在这样的情况下，表面电流主要集中在CPW馈电和叉形辐射片外沿附近，在3阶stub附近电流较小.图8(b)和(c)展示了天线处于阻带的情况下的表面电流分析.在这样的情况下，表面电流主要集中在3阶stub附近，在CPW馈电和叉形辐射片外沿附近电流较小.换言之，在3阶stub附近的强电流可以激发出阻带特性.

图7 天线2的VSWR随着L5和L6的变化规律Fig.7 Simulated VSWR with L5 and L6 about antenna 2

图8 过渡天线2在不同频率下的表面电流分布Fig.8 Simulated current of the proposed antenna 2 in different frequencies

基于上面的分析，这里最终得到了如图1所示的三阻带抑制特性的超宽带天线.为了衡量天线的整体特性，这里同样使用全波电磁仿真软件对最终设计的天线进行了关键参数的研究和分析.其中最主要的3个关键参数是L5、L6和W2.

图9展示了最终设计的天线VSWR随L5、L6和W2的变化规律.由图9(a)可知，通过调整W2的宽度，第1个阻带的频率可以在3.5～5.5 GHz内调节.从图9(b)可以看出，通过调节L6的长度，第2个阻带的频率可以在5.5～7.5 GHz内调节.从图9(c)可以看出，通过调节L5的长度，第3个阻带的频率可以在7～9 GHz内调节.由此可以看出这样的天线的3个阻带基本上可以覆盖整个超宽带频段.同时有一点非常值得高兴的是3个阻带的调节相对独立、互不干扰.因此，设计者就可以根据实际情况的不同来选取不同的参数来抑制干扰信号.

具体说来对于抑制Wimax干扰可以选取合适的W2来完成，对于抑制WLAN及C波段雷达的干扰可以通过选取合适的L6来完成，对于抑制X波段的干扰可以通过选取合适的L5来完成.总之对于目前常见的干扰，此款天线均可以很好地抑制.

图9 仿真VSWR随L5、L6和W2的变化规律Fig.9 simulated VSWRs with various parameters L5，L6 and W2

基于上述的参数研究，所设计的天线进行了大量的优化调整.最终得到的天线参数如下所示:L=28 mm，W=21 mm，L1=5 mm，L2=20 m，L3=13.5 mm，L4=7.7 mm，L5=7 mm，L6=9.5 mm，W1=0.8 mm，W2=4 mm，W3=0.8 mm，W4=1 mm，W5=1 mm，W6=1.4 mm，S=0.3 mm，g=1.2 mm.

为了进一步的研究天线的特性，这里对所设计的天线进行时域仿真分析.仿真示意图如图10所示.天线位于笛卡尔坐标系的中心，观测点为了描述方便使用球坐标系.

由于观测点位于天线的远场区，故此距离值不是关键参数.关键参数是2个方位角 .同时考虑到天线的对称性，只需选取3个点作为观测点即可.本文选取的观测点为(0，0)，(45，0)和(90，0).图11中展示了各个点的时域波形.可以看出基本上天线在这3个位置的时域波形规律较为一致.为了更加清晰反映其特征，这里对其进行了FFT变换，变换结果描述在图12中.从图12中，可以清晰的看出在这个3个观测点所得到的时域波形具有很好地一致性，虽然在幅度上有所不同.

图10 天线时域仿真示意Fig10 Time domain simulation schemes

图11 天线的时域波形Fig.11 Time domain wave form

同时还得到了3个观测点的电场强度.图13展示了3个观测点电场强度的分布.由图13可知在不同的观测点电场强度的分布规律非常的一直，这个现象与图11～12展示的结果一致.

图12 天线时域波形的频谱分析Fig.12 Frequency analysis about time domain wave form

图13 不同观测点的电场强度Fig.13 Different views of the electric field

从上面的分析可知，设计的天线的时域一致性较好，全向性也很不错.

3 测试结果分析

为了评估天线的性能，该天线得到了制作和测试.实际制作的天线的照片如图14所示.此天线的VSWR使用HP8757D矢量网络分析仪测试得出.为了进行对比分析，原型天线也进行了实际的制作和测试.天线的VSWR对比分析如图15所示.

从图15中可以看出，测试结果和仿真结果吻合的较好.存在的一点差异应该来源于SMA等接头.毕竟仿真的时候不考虑这些过渡区域，而在实际制作的时候过渡避免不了.但总的说来设计的天线的三阻带特性满足设计指标，符合要求.天线的方向图也得到了实际的测试，3.5、6.5和10 GHz测试结果如图16所示.从图中可以看出，该天线在E面上基本上呈现全向特性，在H面平面上近似全向特性.虽然随着频率的增加，天线的方向图或多或少的会有所恶化，但是整体仍然可以视为全向.

图14 实际制作的天线照片Fig.14 The photograph of the proposed antenna

图15 设计天线和原型天线的VSWR对比Fig.15 The VSWR comparison of the designed antenna and prototype antenna

图16 天线方向图Fig.16 Radiation pattern of the antenna

此外所设计的天线的最大功率也通过与单极子天线对比的方式得出.测试结果如图17所示.总的说来设计的天线在除了3个阻带的频段外，可以获得较为稳定的最大增益.

如图17所示，天线的增益维持在2～4 dBi附近.第1个阻带处增益 -3.4 dBi，第2个阻带附近增益-2.4 dBi，第3个阻带附近增益-2 dBi.

图17 设计天线和原型天线的增益对比Fig.17 The gain of the antenna comparison of the designed antenna and prototype antenna

4 结束语

设计了一款紧凑的具有三阻带抑制特性的超宽带天线.该天线的3个阻带是由嵌入的SIR-DGS结构及三阶开路stub结构来实现.经过测试和分析，结果表明此天线不仅仅具备了良好地三阻带抑制特性还具有很好地全向辐射特性.更为关键的是这3个阻带可以独立调节，且调节手段简单有效.仿真和测试结果均表明该天线在整个超宽带频段内具有良好的全向特性，同时该天线还具有3个阻带可以很好地抑制WLAN、IEEE 802.11a频段及C波段和X波段卫星通信频段的信号.总之，该天线结构紧凑体积小巧且具有3个抑制阻带可以完美抑制目前较为常见的干扰信号，具有优良的特性，为同类超宽带天线的研究与设计提供了较好的技术与实验支撑.

［1］LIZZIL，VIANIF.A PSO-driven spline-based shaping approach for ultrawideband(UWB)antenna synthesis［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2008，56(8):2613-2621.

［2］KOOHESTANIM，GOLPOUR M.Compact rectangular slot antenna with a novel coplanar waveguide fed dimond patch for ultra wideband applications［J］.MicrowOpt Technol Lett，2010，52(1):331-334.

［3］REN Y J.An annual ring antenna for UWB communications［J］.IEEE AntennasWireless Propagation Letters，2006，5(1):274-276.

［4］KARACOLAK T.A double-sided rounded bow-tie antenna(DSRBA)for UWB communication［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Letters，2006，5(1):446-449.

［5］CHOI S T，HAMAGUCHI K，Kohno R.Small printed CPW-fed triangular monopole antenna for ultra-wideband applications［J］.MicrowOpt Technol Lett，2009，51(1):1180-1182.

［6］MOHAMMAD O.Small square monopole antenna with inverted T-shaped notch in the ground plane for UWB application［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2009，8(1):728-731.

［7］ABBOSH A M，BIALKOWSKImE.Design of UWB planar band-notched antenna using parasitic elements［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57(3):796-799.

［8］CARLA R M.Compact tapered slot UWB antenna with WLAN band rejection［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2009，8(1):661-664.

［9］JANG JW，HWANG H Y.An improved band-rejection UWB antenna with resonant patches and a slot［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2009，8(1):299-302.

［10］ZHA Fengtao.Compact slot antenna for 2.4GHz/UWB with dual band-notched characteristic［J］.MicrowOpt Technol Lett，2009，48(1):1859-1862.

［11］LUO Lin.Compact printed ultra-wideband monopole antenna with dual band-notch characteristic［J］.Electron Lett，2008，44(1):1106-1107.

［12］CHU Qingxin，YANG Yingying.A compactultrawideband antenna with 3.4/5.5GHz dual band-notched characteristics［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2008，56(12):3637-3644.

［13］ LI Yingsong， YANG Xiaodong. Compact coplanar waveguide fed ultra wideband antenna with a notch band characteristic［J］.AEU-International Journal of Electronics and Communications，2011，65(11):961-966.

［14］LIU Chengyuan，LI Yingsong.Compact CPW-FED UWB antenna with a notched band characteristic［J］.Microwave Journal，2011，54(8):104-114.

［15］LI Yingsong，YANG Xiaodong.Dual-band antenna handles WLAN/WiMAX［J］.Microwaves＆ RF，2011，50(6):80-90.

［16］ LI Yingsong， YANG Xiaodong. Compact coplanar waveguide fed ultra wideband antenna with a notch band characteristic［J］.AEU-International Jouranal of Electronics and Communications，2011，65(11):961-966.

［17］LIU Chengyuan.A novel UWB filterwith notch-band characteristic using radialuir/sir loaded stub resonators［J］.Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2011，25(1):233-245.

［18］LI Yingsong，YANG Xiaodong，BAI Yu.Tiny UWB antenna notches two bands［J］.Microwaves＆ RF，2012，51(2):81-91.

［19］LIYingsong，LIWenxing，MITTRA R.A cognitive radio antenna integrated with narrow/ultra-wideband antenna and switches［J］.IEICE Electronics Express，2012，9(15):1273-1283.

［20］LI Yingsong，LIWenxing，MITTRA R.Implementation and Investigation of a compact circular wide slot UWB antenna with dual notched band characteristics using stepped impedance resonators［J］.IEICE Electronics Express，2012，21(1):517-527.

［21］LIYingsong，LIWenxing，YE Qiubo.Compact reconfigurable UWB antenna integrated with SIRs and switches for multimode wireless communications［J］.IEICE Electronics Express，2012，9(7):629-635.

［22］LI Yingsong，YANG Xiaodong，LIU Chengyuan，et al.Miniaturization cantor set fractal ultrawideband antenna with a notch band characteristic［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2012，54(5):1227-1230.