新型双阻带超宽带单极天线

吴绪镇，薛锋章

(华南理工大学电子与信息学院，广东广州510641)

0 引言

自从2002年美国联邦通信委员会(federal communications commission，FCC)批准将3.1～10.6 GHz频带作为超宽带(ultra wideband，UWB)民用频段以来［1］，UWB技术因其低成本、高速率、低功耗等优势得到飞速发展。作为UWB系统的重要组成部分，超宽带天线的研究与设计深受国内外学者重视。此外，由于在UWB频段与其他通信系统(WLAN(5.15～5.825 GHz)，WIMAX(3.3～3.7 GHz)以及C波段卫星通信系统(3.7～4.2 GHz))的工作频段有重叠，如何实现UWB系统与其他系统的兼容，成为超宽带天线的设计难点。

目前，大多数超宽带天线设计都只是针对WLAN5.5频带进行阻带抑制，实现的方法不尽相同［2－6］。如文献［2－3］是采用在圆形辐射片上开条形槽或U型槽的方法;文献［4－5］是在方形环状辐射片中间加竖长微带;文献［6］则是通过在主辐射片上端加寄生辐射片作为滤波结构实现对5.1～5.9 GHz的阻带抑制。这些天线具有WLAN5.5频段单阻带特性，但是未能实现对WIMAX3.5及C波段卫星通信系统工作频带的兼容。也有一些文献介绍了具有双阻带特性的超宽带天线［7－9］，但尺寸较大，结构比较复杂。

本文提出的新型超宽带天线，采用渐变微带线馈电，辐射片为扇形平面单极子。天线首先是实现了3.1～14.4 GHz超宽频带内电压驻波比(voltages standing wave ratio，VSWR)小于 2，再通过在辐射片上适当位置开弧形槽及双竖槽，使得在5.1～6 GHz，3.3～4.2 GHz 频带内的 VSWR2，很好地实现了对WLAN5.5，WIMAX3.5及C波段卫星通信系统的频带抑制功能，避免了各通信系统的互扰。并且总尺寸仅为30 mm×30 mm，符合天线小型化的趋势，是一种实用新型的超宽带天线。

1 天线设计思路与结构

天线选用厚度为1 mm的聚四氟乙烯(FR4)作为介质基板，辐射片与接地面均为0.035 mm厚的覆铜层，分别印制在介质板的两面。FR4相对介电常数εr为4.4，损耗正切tanδ为0.2。

首先是常规UWB天线的设计。辐射片为扇形平面单极子，因为扇形结构具有尺寸渐变性，能够激发表面电流的多种谐振模式，实现天线宽频带工作特性。微带线和地面采用渐变结构，也是为了改善阻抗匹配，进一步扩展带宽。基于此，初步设计出满足UWB频带内VSWR2的天线A，如图1a示。

在天线A的基础上，采用在辐射片上开槽的方法实现具有带阻特性的UWB天线。开槽等效于在天线上加载缝隙谐振器，当开槽总长为特定频率处1/2个介质波长时，在开槽处会发生谐振，对天线辐射片表面电流产生阻断作用，从而实现带阻特性［10］。确定开槽长度的近似公式为

(1)式中:c为光速;f为阻带中心频率;εr为介质的相对介电常数;L为对应的开槽总长度。第1步，在辐射片上开弧形槽实现WLAN5.5频段带阻功能。按照公式(1)给出的开槽尺寸，弧形槽长度L1约为16 mm。得到天线B，如图1b示;第2步，在天线B上加对称双竖槽实现WIMAX3.5及C波段带阻功能，为达到25 mm的开槽总长，竖槽长度L2约为12.5 mm。得到天线C，如图1c示，天线C即为具有双阻带特性的UWB天线。弧形槽与竖槽宽度均为0.5 mm。

图1 天线设计流程Fig.1 Steps of proposed antenna design

按照上述基本尺寸，采用基于有限元的三维结构电磁场仿真软件ANSOFT HFSS 11，优化开槽尺寸及开槽位置、微调辐射片和接地面形状，得到最优化的天线结构。设计的新型双阻带超宽带天线具体尺寸标注于图2中。

图2 双阻带UWB天线Fig.2 Dual band－notched UWB antenna

2 实验研究及天线性能分析

2.1 超宽带天线阻抗特性研究

使用仿真软件对天线做实验研究，分析以下阻抗特性曲线可验证设计的有效性。图3－5分别给出了常规UWB天线A、单阻带UWB天线及双阻带UWB天线的SVWR仿真结果。

从图4可见，在辐射片适当位置开弧形槽后，天线B在5.1～6 GHz频带内VSWR2，其余工作频段VSWR2，有效实现了对WLAN5.5频带抑制功能。

从图5可见，在天线B基础上，加双竖槽后，天线C在3.3～4.2 GHz及5.1～6 GHz频带内VSWR2，其余工作频段VSWR2，由其双阻带特性实现UWB天线对WLAN5.5，WIMAX3.5及C波段卫星通信系统的兼容。

图5 双阻带UWB天线的VSWR仿真结果Fig.5 VSWR of dual band－notched antenna

2.2 天线表面电流分析

通过分析天线表面电流，说明开槽对实现频带抑制的有效性。图6给出了5.5 GHz和3.7 GHz频率处的天线表面电流分布。

图6 天线表面电流分析Fig.6 Analysis of surface current

从图6对比分析5.5 GHz和3.7 GHz频率处的天线表面电流，可见在未开槽之前，表面电流分布在整个辐射片上，天线正常对外辐射。根据(1)式可知，加弧形槽之后，相当于在5.5 GHz处引入了半波长缝隙谐振器，使天线表面电流集中在弧形槽附近形成回流，此时辐射片整体等效于开路，天线不能产生辐射，从而实现对WLAN5.5的频带抑制;同理，对称双竖槽在3.7 GHz频率附近对天线表面电流产生阻断作用，使该天线实现对WIMAX3.5及C波段卫星通信频带抑制特性。

2.3 天线辐射特性

图7给出了双阻带超宽带天线C在3.1，3.7，5.5，9 GHz几个频点处的E面方向图和H面方向图。

图7 双阻带天线在3.1，3.7，5.5，9 GHz频率处的辐射方向图Fig.7 Radiation patterns of proposed antennaat 3.1，3.7，5.5，9 GHz

从图7可见，该天线符合平面单极子天线辐射特性。E面近似呈8字形，类似于偶极子天线的E面方向图。3.1 GHz和9 GHz频率天线H面方向图近似为圆形，说明该天线在通带内呈现良好的全向辐射性，可实现UWB天线全向收发电波信号的功能;3.7 GHz和5.5 GHz频率天线H面方向图发生畸变，说明在阻带内全向辐射特性遭到破坏，从而限制了UWB天线对多系统重叠频带内信号的收发，避免系统间的互扰。

3 总结

本文提出了一种微带馈电的双阻带UWB天线，在满足超宽带系统带宽要求的前提下，通过在天线辐射片上开槽实现了针对WLAN5.5，WIMAX3.5及C波段卫星通信系统的频带抑制。通过大量对比实验，验证了天线开弧形槽和对称竖槽对实现双阻带功能的有效性。文中阐述了该天线的设计思路，为具有带阻特性的超宽带天线设计提供借鉴，并且从表面电流和辐射特性解释和验证了该天线的带阻特性。该天线具有小型化结构，易于与电路集成，可作为超宽带无线通信系统的收发天线，具有良好的工程应用前景。

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