具有陷波特性梯形印制单极超宽带天线

李伟文，陈杰良，蔡立绍，游佰强

(厦门大学 电子工程系，福建厦门 361005)

0 引 言

自2002 年美国联邦通信委员会(FCC)授权3.1 GHz ～10.6 GHz 为室内超宽带(UWB)通信频段，UWB 技术成为近距离高速率无线通信的研究热点。作为UWB 关键技术之一的超宽带天线，要求在大阻抗带宽范围内具有固定相位中心。印制单极结构是最有前景的UWB 天线，它利用印制电路板工艺，通过振子体、接地面和馈电结构优化，实现单极天线超宽带特性［1～4］。考虑到UWB 部分频段与其他通信系统重叠，如无线局域网(WLAN)的5.15 GHz ～5.85 GHz 频段，这将对UWB 系统产生干扰，因此具有陷波特性超宽带天线成为当前关注焦点［5～11］。

设计了一款带三角形槽梯形印制单极超宽带天线，其尺寸为30 mm ×30 mm，驻波比(VSWR)小于2 的阻抗带宽为2. 8 GHz ～12. 81 GHz，倍频带宽达到4.6 ∶1。并以此为原型天线，在振子体加载1/2 波长缝隙谐振器，形成具有陷波功能UWB天线，实现了驻波比大于3 的4.8 GHz ～6.0 GHz阻带。

1 天线结构设计

介质基板厚度和介电常数是影响印制天线阻抗带宽两个重要因素［12］。较厚介质基板电容效应小，对电磁能束缚弱。但厚基板的表面波效应强，天线辐射效率低，并影响天线输入阻抗和辐射场的频率特性。基板介电常数较小时，其与空间波阻抗更接近，利于电磁能与空间的耦合辐射。但小介电常数基板将增加天线尺寸，不利于小型化的实现。综合考虑，本文选用相对介电常数εr为2.65，厚度为1.5 mm 的F4BK-2 基板，其双面敷铜层厚度为0.035 mm，损耗角正切为0.02。

天线采用50 Ω 微带线馈电。由于馈线长度将决定接地面尺寸，并对天线阻抗特性产生影响，考虑UWB 频率范围，设计天线取微带馈线宽为4 mm，长为16 mm。

矩形辐射元结构是印制单极天线最基本原型，工作时其电流主要分布于平面辐射器的下边缘和两侧边，边侧与底侧线总长决定最低谐振频率，而底侧线长决定工作频带内的最高谐振频点。为展宽工作带宽并减少振子面积，设计天线采用梯形结构平面辐射元。由于辐射元中上部电流很弱，如在其上边缘侧开槽口，对天线辐射特性影响不大。按此思路，设计天线在梯形振子体开挖三角形槽，用于芯片等其它射频元件安置，以减少UWB 系统整体尺寸。

印制单极天线本质上是谐振天线，在较宽频带范围内有多个谐振点，超宽带的实现，就需增加相邻谐振点各自的阻抗带宽。辐射器的设计，能展开对应谐振点的阻抗带宽，但不一定能实现包括两个谐振点的阻抗带宽要求，这需要馈电结构或接地面形状的设计。所研制的天线采用阶梯形接地面结构，以利于印制单极天线工作频带的拓宽。因为高频时谐振波长较短，电流主要分布在振子体下侧边，与之耦合较强的接地面区域也应变短;低频时谐振长度增大，振子体与接地面的间距也应增大，以利于辐射。正是辐射元侧边与接地面上边缘形成的渐变开口，可在较宽频带范围内补偿由于频率变化引入的电抗成分，实现阻抗匹配的宽带化。

为不对辐射特性产生较大影响，接地面最小高度应当接近低频端谐振点波长的1/4，接地面最小宽度应取该谐振波长的1/2。相对于接地面高度，接地面宽度对阻抗带宽的影响较大。按此原则可对接地面尺寸进行小型化设计。

陷波超宽带天线的结构和几何参数如图1 所示。如除去凹形缝隙，即为全频带超宽带原型天线。两天线结构参数完全一致，基本参数见表1。其中阶梯形接地面尺寸为:r1= 8 mm，r2= 4 mm，d1=d2=2 mm;陷波天线凹形缝隙尺寸为:ds=2 mm，d=0.3 mm，ws= 2 mm，wh=14 mm。

图1 天线结构和几何参数

表1 天线的几何尺寸 单位:mm

2 仿真测试结果

由于UWB 辐射功率谱密度极低，一般要求天线带宽内驻波比小于2. 0，甚至3. 0 即可。以VSWR≥3.0 作为阻带标准，而VSWR≤2.0 作为通带标准。全频带天线与陷波天线驻波比的仿真与测试结果，如图2 所示。从仿真结果看，全频带天线VSWR≤2.0 的阻抗带宽范围为2. 8 GHz ～11.76 GHz。实 测结 果 为2. 8 GHz ～12. 81 GHz(图中未给出)，比仿真值略大。陷波天线仿真结果表明，在5.1 GHz ～6.0 GHz 间VSWR≥3.0，而其他频段驻波比与全频带天线基本一致。实测陷波天线VSWR≥3.0 的频带为4.8 GHz ～6.0 GHz。与仿真结果相比，频带有所下移，陷波带宽增加。仿真与测试的误差，一方面与数值计算较多近似有关，另一方面也与测试环境及SMA 接头的焊接精度有关。

图2 天线电压驻波比仿真与测试结果

陷波天线在9 GHz 处两主平面的主场极化方向图和交叉极化方向图仿真结果，如图3 所示。可以看到，天线辐射场特性与单极柱天线类似，其E 面(yoz 面)方向图近似为“∞”字形，而H 面(xoz 面)具有全向辐射特性。对比主场极化，天线E 面交叉极化小于－138 dB(因值较小图中未能显示)，H 面交叉极化低于－15 dB。3 GHz 和6 GHz 方向性与图3 类似，但交叉极化更低，这表明天线具有较好的方向图带宽。

图3 在9 GHz 陷波天线共面极化与交叉极化方向图

梯形天线开凹形缝隙前后增益对比如图4 所示。可以看到，相对于全频段原型天线，陷波天线在陷波频带最高增益抑制达到9 dB，具有良好的频带抑制效果。在FCC 规定频段内，除陷波频带外，陷波天线增益波动小于3 dB，表明天线增益带宽也满足要求。

图4 陷波天线与原型天线增益对比

与传统通信系统不同，UWB 短脉冲直接代表信号内容，因此要求超宽带天线具有稳定相位中心，以提高信号保真度，它由天线时域特性决定。利用五阶微分高斯脉冲激励时全频带原型天线远场相位变化，如图5 所示。

图5 距离200 mm 处全频带天线远场的相频特性

可以看出，在距离天线200 mm 处，辐射场具有线性相频特性。这是由于天线电尺寸较小，辐射元大部分区域对整个频段均有辐射，使相位中心变化较小。但相位中心毕竟不是完全固定，随着传输距离增加(如800 mm)，微小相位变化的积累，最终导致非线性相频变化，这也说明本天线适用于短距离UWB 通信。

以上结果表明，设计的带三角形槽梯形印制单极天线满足UWB 天线要求。通过在振子体加载凹形缝隙，取得了良好的陷波效果。除产生阻带外，陷波天线满足UWB 系统对天线阻抗特性、方向特性和相频特性的要求。

3 陷波特性分析

陷波天线输入阻抗的频率特性，如图6 所示。可以看出，除5.15 GHz ～5.85 GHz 频带外，在工作频段内其阻抗特性与全频带原型天线一致:输入电阻在50 Ω 上下波动，输入电抗在0 Ω 上下波动，波动范围均小于25 Ω。在5.5 GHz 附近的阻抗突变，说明此时天线等效于RLC 谐振回路，具有带阻滤波器效果。

图6 陷波天线输入阻抗的频率特性

陷波天线凹形缝隙，处于辐射元强电流区，在陷波频点，形成终端短路半波谐振器，可等效为由电感Leq和电容Ceq组成的并联LC 谐振回路。在工作频带，振子体可等效为辐射电阻Ra。对于印制单极天线，其接地面不可避免地参与辐射，可将其等效为辐射电阻Rg，它通过耦合单元J1与微带线作用。类似于文献［9］的方法，可构建如图7 所示陷波天线在阻带附近的等效电路模型。

图7 陷波天线的等效电路

按陷波天线等效电路，振子体侧等效输入导纳Ya有

则天线馈电端的输入导纳Yin为

类似地，对于天线整体，有

则其3 dB 带宽即对应于天线的陷波带宽，为

相对带宽为

越窄的缝隙其等效电容越大。缝隙长度增加，缝隙宽长比减少，等效于缝隙变窄，因此越长缝隙其等效电容也越大，同时谐振频点下移。可以预见，如果陷波天线缝隙增长，陷波频段将下移，其品质因数增大，陷波频带变窄。这也说明，为达到预期的陷波频带，由缝隙长度确定其中心陷波频点，由缝隙宽度来调整陷波带宽。

5.5GHz 时原型天线与陷波天线表面电流分布情形如图8(a)与(b)所示。可以看出，在陷波频点，开缝隙后天线表面电流分布发生根本性变化，此时主要集中在缝隙区域。由等效模型可知，在陷波中心频点电路产生谐振，电磁能主要集中在谐振单元Leq和Ceq上，辐射单元Ra和Rg上电流分布很少，天线辐射性能急剧下降。而其他频段内，表面电流分布与原型天线一致。

图8 在5.5 GHz 时天线表面电流分布

4 结 语

带三角形槽的梯形印制单极天线，通过引入阶梯接地面，实现了2.8 GHz ～12.81 GHz 的阻抗带宽。在此频段内，天线具有全向辐射特性，其阻抗特性和相位中心稳定。以该天线为原型，通过对振子体的缝隙加载，引入谐振机构，改变特点频带处天线表面电流分布，实现了陷波特性。陷波天线的陷波频带为4.8 GHz ～6.0 GHz，陷波频带内最大增益抑制达到9 dB。陷波天线其他频段的性能与原型天线基本一致，满足超宽带通信系统的要求。

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