双阻带特性的超宽带单极子天线设计

崔恒荣 陆云龙 沈 伟 孙 芸 王 伟 孙晓玮

（中科院上海微系统与信息技术研究所，上海200050）

引 言

自从美国联邦通信委员会（FCC）将3.1～10.6 GHz这个频段分配给超宽带（UWB）应用以来，超宽带天线得到了较多的研究［1-3］.印刷超宽带单极子天线因为其结构简单、全向辐射和容易加工等优点使其成为一种应用较多的设计方案［4-5］.为了增加天线的阻抗带宽，在天线设计中引入了多种技术手段，如在贴片单元或者基底上开个细缝［6-7］、在天线贴片的对角上开缝或开槽［8-9］.但是，一些通信系统的工作频段恰好在超宽带系统的工作带宽之内，这会对超宽带系统造成干扰，例如：IEEE802.11a的 WLAN （5.15～5.85GHz）系统和IEEE 802.16的 Wimax（3.3～3.6GHz）系统.为了消除这些电磁干扰，在超宽带的天线上增加1个或2个的阻带显得十分必要，这方面已有一些研究结果［10-12］.传统方法主要包括：在贴片天线或者基底上开缝［10，12］，增加寄生单元［13］等.

利用边缘相似谐振器产生3.3～3.6GHz的阻带，边缘相似谐振器放置在天线的底面，谐振器的中间通过通孔与天线贴片相连.将单个开路微带谐振器嵌入在天线的馈线中产生频率在5.15～5.85 GHz的阻带.阻带的中心频率和带宽可以通过调整谐振器的参数实现独立控制.在2.7～11GHz的频段内，设计的超宽带单极子天线电压驻波比（VSWR）在2以内，并实现了两个阻带特性.

1 天线设计与阻带结构分析

1.1 天线模型

图1给出了具有双阻带特性的超宽带单极子天线的物理模型.天线基底采用的是Rogers 4350，介电常数和厚度分别为3.48mm和0.762mm.基板上层是单极子天线，天线采用50Ω的微带线进行馈电.并且，在50Ω的馈线上嵌入了单个四分之一波长开路微带谐振器，用来产生消除 WLAN信号干扰的阻带.在基板的底面，放置一个边缘相似的谐振器，其中心通过一排通孔与单极子天线相连，利用边缘相似谐振器可以产生消除Wimax信号干扰的阻带.优化后的天线参数见表1所示.

图1 天线物理模型

表1 优化后的天线参数取值，mm

1.2 四分之一波长开路微带谐振器

利用嵌入在天线馈线中的单个四分之一波长开路微带谐振器来实现阻带特性，这与传统的嵌入两个四分之一波长开路微带谐振器相比，具有结构更简单和带宽更窄的优势.首先，我们先对传统的两个四分之一波长开路微带谐振器进行分析.图2（a）给出了相应的等效电路模型.该电路结构可以采用奇-偶模式分析，图2（b）和（c）给出了响应的奇模和偶模等效电路.

图2 传统的双四分之一波长开路微带谐振器

对于偶模等效电路，端口1处的输入导纳可以表示为

式中，β是传输线的波数；Y1和Y2是传输的特征导纳.

根据电路谐振条件

将式（1）代入式（2），可以得到偶模等效电路的谐振条件为

类似地，对于奇模等效电路，端口1处的导纳为

利用电路谐振条件，奇模等效电路的谐振条件为

相应的S参数可以表示为

图3给出了单个四分之一波长开路微带谐振器结构的等效电路.图4给出了传统的双四分之一波长开路微带谐振器和单个四分之一波长开路微带谐振器的仿真结果比较.可以看到，在中心频率为5.5GHz的频点，这两个谐振器都能产生谐振，利用嵌入的单个四分之一波长开路微带谐振器能得到更小的带宽和更简单的结构.

进一步分析，利用单个四分之一波长开路微带谐振器谐振产生阻带带宽和中心频率可以用参数L1和S1分别独立进行控制.图5和图6给出了不同取值的参数L1和S1对阻带的中心频率和带宽的影响.由图5可以看出：阻带的中心频率随着参数L1取值的增大而向低频移动，并且不同的L1取值，对阻带的带宽没有影响.而对于阻带带宽的控制可以由参数S1实现，增大S1的取值会增加阻带的带宽，从图6我们可以看到这个结果.

1.3 边缘相似谐振器结构

利用边缘相似谐振器可以产生频率带宽为3.3～3.6GHz的阻带，边缘相似谐振器的全长为一个波导波长.该谐振器通过中心的一排通孔与单极子天线相连，因此，整个边缘相似谐振器可以看成是两个半波长的谐振器.阻带的中心频率可以利用如下公式得到：

式中：

式中：fr是由边缘相似谐振器产生的阻带的中心频率；εr是基板材料的相对介电常数；c是光在自由空间传播的速度.

图7给出了参数L2对阻带中心频率的影响.可以看出，随着L2取值的增大，阻带中心频率会往低频端移动.

另外，和四分之一波长开路微带谐振器一样，在阻带外的通带内存在一定的插损，这部分插损会对偶极子天线在相应工作频率上的增益有所降低.但因为插损值较小，对天线增益的影响也很小.

图7 参数L2取值对阻带中心频率的影响

2 实验结果分析

天线实物照片见图8.天线的测试基于Anilent N5245A矢量网络分析仪，其结果见图9.利用上文中提到的两个谐振器，分别实现了3.3～3.6GHz和5.15～5.85GHz两个阻带特性.除去这两个阻带之外，天线在2.7～11GHz频段范围内，电压驻波比都小于2，并且跟仿真结果吻合很好.细微的差别可能是由加工误差、介质的介电损耗或者SMA头的寄生效应所引起.我们采用Satimo SG24标准版天线测试系统对该天线进行辐射性能方面的测试.图10和11给出了天线的辐射方向图、增益和辐射效率的测试结果.对于远场的方向图，分别选取了3GHz、6GHz和10GHz进行测试.从图10可以看出，天线具有跟传统单极子天线类似的辐射特性.除两个阻带频率之外，天线在整个UWB带宽内具有可接受的增益和辐射效率，而在阻带内，天线的辐射效率和增益急剧下降，并且在阻带的中心频率处达到最小值.

3 结 论

设计了一种简单的具有双阻带特性的超宽带单极子天线，其双阻带频率分别在3.3～3.6GHz和5.15～5.85GHz频段.文章对产生阻带的两种谐振结构进行了分析，并且，通过改变谐振器的参数可以实现对阻带的中心频率和带宽的独立控制.天线采用PCB技术进行加工，测量结果和仿真结果吻合很好.

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