一种新型平面结构的双陷波超宽带天线设计*

朱晓明，杨晓冬，陈 彭

(1.哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，哈尔滨150001;2.黑龙江工程学院电气与信息工程学院，哈尔滨150050)

1 引言

2002年，美国联邦通信委员会(FCC)正式允许将超宽带(UWB)技术应用于民用领域，并指定了3.1 ～10.6 GHz作为 UWB 的工作频段[1]，由此可以全部覆盖频段范围的UWB天线成为一种新颖的天线类型。然而在UWB频段内同时伴随着许多窄带无线通信系统，如IEEE 802.11b/g/n标准下WLAN工作频段 2.4 ～2.483 5 GHz，IEEE 802.11a 标准下WLAN工作频段5.15～5.825 GHz，WiMAX 工作频段2.5 ～2.69 GHz、3.4 ～3.69 GHz、5.25 ～5.850 GHz，以及用于卫星通信的C频段3.7～4.2 GHz和X频段7.25 ～7.75 GHz、7.9 ～8.4 GHz等。为避免 UWB系统与这些窄带无线通信系统的干扰，可在天线装置前端引入带阻滤波器，但是在系统的体积、复杂度和阻抗匹配等方面都会引入不同程度的问题，因此直接在UWB天线的基础上设计出具有陷波特性的天线结构显得尤为重要。目前常用的陷波方法是在微带辐射贴片或接地板的适当位置处开不同形状的缝隙，如 U 形缝隙、L 形缝隙、弧形缝隙等[2－5]，引起特定频段的谐振，改变UWB天线的辐射特性。还有在较大的凹槽内添加小的谐振器[6]，或是在贴片附近放置寄生单元[7]等方法，以实现在特定频段内具有滤波的功能。这些天线通常采用同一种陷波实现方法，利用贴片上不同的缝隙形状实现多频带的抑制功能，因此对天线的尺寸有一定的限制。

本文将两种超宽带天线的陷波抑制方法相结合，提出了一种具有双陷波特性的UWB天线结构，为了更加有效地实现超宽带天线的设计，采用基于共面波导(CPW)结构的改进印刷单极子天线为基础模型，通过辐射贴片开窗方法和添加附加寄生单元方法实现了两个频段的陷波功能，可以有效减小天线的平面尺寸。

2 UWB基础天线的设计

UWB天线结构如图1所示，介质基片厚度h为1.6 mm，相对介电常数 εr为 4.4，损耗正切 tanδ为0.02，介质基片的有效介电常数为

式中，c是光速，fr是谐振频率，天线宽度W的选取要小于上式计算结果，否则会产生高次模，从而引起场的畸变。天线长度L选取约为

通过式(1)～(3)，选取天线的尺寸为12 mm×22 mm，该尺寸小于目前所设计的具有陷波功能的UWB 天线[8－11]。基础天线采用 CPW 馈电方式，导带与接地面均位于同一平面，这样的结构实现简单而且更适合于构成微波和毫米波的混合集成电路。

图1 双陷波UWB天线模型Fig.1 Geometry of the UWB antenna with two notched bands

由于UWB天线频段覆盖范围较宽，使得阻抗匹配问题显得尤为重要，为了满足微带馈线50 Ω的阻抗匹配特性，阶梯阻抗微带馈线结构可以在一定程度上满足要求，其中阶梯级数越多，就会在越多的频率点上实现阻抗匹配，从而拓宽频段范围，但是过多的阶梯级数会使得变换器的总长度增加，尺寸会过大，结构设计也就更加困难，目前多采用的是一或二级的阶梯结构[12]。

本文提出了渐变导带的CPW馈电结构，在某种程度上相当于多阶梯阻抗匹配结构，这样就实现了UWB天线在宽频带下的阻抗匹配，使得天线的输入阻抗随着频率的变化波动很小。UWB天线的辐射贴片为矩形，通过对矩形贴片形状的改变，减小了直角弯折处电流的不连续性，展宽天线的频带范围。通过改变L1参数，可见天线频宽变化情况如图2所示。经过模型优化设计，最终确定基础天线模型参数如下:W0=7 mm，W1=4.8 mm，W2=1.1 mm，W3=1.8 mm，L0=8.5 mm，L1=3 mm，L2=8 mm，L3=1.8 mm。

图2 参数L1对基础天线驻波比的影响Fig.2 VSWR of the base antenna with different L1

3 UWB天线陷波特性的设计

为了避免WLAN和WiMAX窄带通信系统对UWB信号的潜在影响，必须能够抑制这些频段的干扰信号，在上述基础天线模型之上，通过在天线背面附加寄生单元和在辐射贴片上开窗的混合方法，本文提出了具有双陷波特性的UWB天线结构，结构如图1所示。

3.1 附加寄生单元结构

根据天线的场结构分析，在天线背面附加了的两个近似T形的寄生单元，文中定义为偏T形结构，通过两个圆柱探针将辐射贴片与寄生单元相连接，实现了天线对5.15～5.825 GHz频段内的其他信号的抑制。偏T形寄生单元长度ln1与陷波频率fn1关系如下所示:

图4 参数r2和r4对陷波天线驻波比的影响Fig.4 VSWR of the band－notched antenna with different r2and r4

在天线的实际设计中有效介电常数εe可简化为

UWB基础天线平面尺寸较小，结构较紧凑，因此必须将寄生单元弯折才能达到陷波频率对尺寸的要求。双偏T形寄生单元长度近似相等:

对r1和r3优化如图3所示，当寄生单元结构为双L形时(r1=3.5 mm、r3=3 mm)，虽然具有了陷波功能，但陷波中心频率处VSWR仅有3.34，陷波效果较差;当采用偏T结构时，寄生单元表面的电流值增大，VSWR提高，陷波能力加强。对r2和r4优化结果如图4所示。

图3 参数r1和r3对陷波天线驻波比的影响Fig.3 VSWR of the band－notched antenna with different r1and r3

从上述寄生单元的尺寸优化分析可见，增加r1和r3的长度使得所对应设计的陷波中心频率减小，因为公式(4)表明寄生单元尺寸与陷波中心频率成反比关系;在寄生单元总体尺寸ln1不变的前提下，长度r2和r4在一定程度上决定了天线陷波能力的强弱，尺寸的增加或减少都会使得VSWR的数值减小，降低天线的陷波能力。寄生单元之所以采用两个偏T结构是因为两者在陷波频段内可以产生共同谐振的作用，增加了陷波中心频率所对应的VSWR，大大提高了单一寄生单元的陷波能力。

3.2 辐射贴片开窗结构

为了在3.4～3.69 GHz频段再产生第二个陷波，本文采用在辐射贴片上开窗的方法来产生陷波谐振点，开窗长度ln2与陷波频率fn2关系同理于公式(4)。

由于第二陷波中心频率相对较小，使得开窗长度ln2较大，必须对其进行多处弯折处理才能在辐射贴片上起到陷波作用。为避免与第一陷波频段产生干扰，必须合理选择开窗位置。当n0为1～2 mm时，在俯视结构上窗口与偏T形寄生单元相重合，会对第一陷波频段造成很大影响，使其失去原有频段的陷波特性。

因此，在窗口结构未发生重叠的允许范围内，对窗口与贴片底部距离n0进行优化，结果如图5所示。随着 n0尺寸的增加，第二陷波频带(3.4～3.69 GHz)呈现稳定的特性，但对于第一陷波频段的影响较大，主要是因为天线尺寸较小，窗口的位置会对连接偏T形寄生单元的探针造成干扰，从而影响到第一陷波频段的中心频率以及陷波能力，所以窗口与寄生单元间要保持相对较远的距离。最终选择n0为5 mm，此时两陷波段相互影响较小，几乎保持了在单陷波结构下的陷波特性。

图5 参数n0对陷波天线驻波比的影响Fig.5 VSWR of the band－notched antenna with different n0

4 实验结果与分析

通过设计和优化寄生单元和开窗两种陷波结构，最终确定合理的陷波UWB天线模型尺寸，分别在3.43 ～3.77 GHz和5.05 ～5.95 GHz频段内使所设计天线具有了陷波特性，实际制作天线如图6所示。

图6 实际制作的陷波UWB天线Fig.6 Photo of the fabricated band－notched UWB antenna

天线电流分布情况如图7所示，图(a)表示在第二陷波中心频率3.6 GHz下电流主要集中在正面辐射贴片所开窗口的周围;而图(b)表示在第一陷波中心频率5.5 GHz下的电流分布主要集中在天线背面的双偏T寄生单元结构上，说明在所设计的陷波结构上发生了谐振现象，实现了对其他信号的抑制作用;图(c)和图(d)的频率点选在天线工作频带范围内，其辐射贴片正面的窗口和背面的寄生单元处电流分布并不集中，电流主要集中在渐变导带附近，可见不同频率点下的电流分布情况证明了UWB天线两种陷波结构的正确性和工作频段下天线辐射的有效性。

图7 陷波超宽带天线的电流分布情况Fig.7 Current distributions of the dual band－notched antenna

该天线在工作频段 3 GHz、4.5 GHz、6.5 GHz、9 GHz时的E面和H面的归一化方向图如图8所示，可见该天线H面具有良好的全向辐射的特性，E面方向图近似偶极子天线的辐射特性，也近似接近于全向辐射特性。

使用安捷伦E8362B矢量网络分析仪对实验制作天线进行阻抗特性测试，测试与仿真的驻波比曲线对比如图9所示。测试结果与仿真结果基本吻合，主要是由于实际测试环境和SMA接头造成了两者的差异，但整体上可以体现出所设计的天线可以有效地抑制来自WLAN和WiMAX系统的干扰。

图8 双陷波天线辐射方向图Fig.8 Radiation patterns of the dual band－notched antenna

图9 双陷波UWB天线的VSWR曲线对比图Fig.9 VSWR of the dual band－notched antenna between measurement and simulation

该双陷波天线的增益如图10所示，曲线中出现两段下降频段，表明在整个UWB频段内天线增益特性较好，但是在所设计的陷波频段下天线性能下降，不能起到辐射的作用，即是在特定频段下达到了陷波抑制的功能。

图10 双陷波UWB天线的增益Fig.10 Gain of the dual band－notched antenna

5 结束语

本文提出了一种具有渐变阶梯结构的UWB基础天线模型，具有宽频带阻抗匹配特性，天线整体尺寸为12 mm×22 mm×1.6 mm，通过双偏T寄生单元和开窗的混合方法，使该天线具有了陷波功能，通过仿真优化调整天线结构尺寸，最终实现了对WLAN(5.15 ～5.825 GHz)和 WiMAX(3.4 ～3.69 GHz)窄带信号的抑制，天线表面的电流分布特性说明两种陷波结构的有效性，同时在工作频段范围内天线辐射方向图体现了较好的全向性。制作天线的实测结果表明该天线在两个陷波频段内VSWR大于2，而且增益曲线在此区间内呈现明显下降特性，说明该UWB天线可以有效避免WLAN和WiMAX的干扰信号，并且在超宽带频段内具有2.8～6 dB的增益特性。所设计的双陷波UWB天线具有尺寸小、结构简单、易于微波集成和实现等特点，但是在设计过程中，需要通过反复的参数优化才能最终确定天线尺寸，如何对天线参数进行全局、有效的优化方法将是进一步的研究方向。

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