一种双陷波超宽带天线设计与研究

施荣华 徐 曦 董 健

(中南大学信息科学与工程学院 长沙 410075)

1 引言

自从美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)将超宽带(UltraWide Band, UWB)应用于商业领域[1]，工作频率为3.1~10.6 GHz的通信系统得到了大力的发展。在超宽带系统中，超宽带天线[2-5]是重要的组成部分和研究热点。从发展趋势来看，超宽带天线要求在极宽的频段内有良好的全向辐射特性，并能够高效地进行辐射。然而，超宽带通信系统的工作频段覆盖了其它的窄带通信系统频段，如 3.3~3.6 GHz的无线城域网(WiMax)频段和5.1~5.9 GHz的无线局域网(WLAN)频段。这些窄带通信系统的存在会对超宽带天线的工作产生一定的干扰。为了抑制这些干扰，可以在超宽带天线的基础上引入一种陷波结构，使天线成为具有频带阻隔效应的陷波天线，这种天线最早由美国的 Schantz等人[6]在 2003年提出。

具有陷波特性的超宽带天线能够通过多种不同的结构加以实现，如在天线结构中引入寄生单元[7,8]，采用分形结构[9,10]，加入调谐枝节[11,12]，开槽[13-16]等。其中在辐射贴片或者接地板上开槽的方法应用最为广泛。开槽结构的陷波天线结构简单，并且在整个频带内阻抗匹配影响不大。一般的开槽方法是将槽口开成线形，即槽口宽度很小，通过改变槽口长度来调节陷波特性。而线形槽的形状多种多样，如直线形、U形、V形等，无论形状如何变化，都是将天线的表面电流进行了改变，从而形成陷波特性。文献[13]中提出了一种在矩形的支节上开V形槽以实现陷波特性的超宽带微带天线，该天线结构简单，并且具有良好的辐射方向性。而在文献[14]中，除了在辐射贴片上开一个 C形槽外，还在接地板上开出一个细长的缝隙，形成一种组合的陷波结构，产生的阻带陡度更陡峭，带宽更宽，具有良好的陷波特性。但以上两种设计中，并没有引入实现多频率覆盖的多陷波结构，不能同时避免来自不同通信系统的干扰。文献[15]通过在贴片馈线上开出两个环形的细槽实现了双陷波特性。而文献[16]则通过在贴片上开出两个L形槽和一个E形槽，在天线背面添加一个V形支节实现双陷波特性。这些天线能够在阻带上实现良好的陷波功能，且在各个通带都具有良好的辐射特性。但在这些设计中，天线只能通过改变槽的长度来控制陷波的范围，这使天线在调整陷波中心频率时方法非常单一。

本文提出了一种在辐射贴片上开圆弧状H形槽和在接地板上开L形槽来实现双陷波特性的超宽带天线。通过改变圆弧状H形槽中的一个或几个参数，对陷波的中心频率进行控制，这使天线在控制陷波范围时有了更多的选择。同时在接地板上开出两个L形槽以使天线具有双陷波的功能，拥有两个阻带。仿真和实测结果都证明该天线具有良好的双陷波特性，能够在超宽带频带内避免诸如WiMax, WLAN以及其它窄带通信系统的干扰。同时在通带内，该天线具有良好的辐射方向特性以及稳定的增益。上述特性使该天线具有很好的应用价值。

2 天线结构和设计原理

超宽带天线的结构如图1所示，该天线印制在厚度为1.6 mm，相对介电常数为4.4的FR-4板上。天线的正面是一个圆形的辐射贴片，由50 Ω的微带线进行馈电。天线背面的接地板形状经过了如下改造[2]：切除矩形接地板上方的2个边角，在板上开2个对称的矩形槽，切除接地板下方2个矩形使接地板成T字形。在接地板上采用这样的形状能够很大程度地增加天线的工作带宽，减小回波损耗[2]。超宽带天线的尺寸由表1列出。

图1 超宽带天线结构示意图

表1 超宽带天线参数尺寸(单位mm)

上述的超宽带天线没有引入陷波结构，没有陷波特性，因而无法避免来自超宽带频带上其它系统的干扰。为此，本文在此超宽带天线的基础上，引入双陷波结构，使天线能够在超宽带频带内产生 2个阻带。如图2所示，在天线的圆形辐射贴片上开一个带圆弧状的H形槽以形成陷波结构，同时，在接地板上开出2个总长度都为l，槽宽度都为0.2 mm的L形槽，引入另一个中心频率不同的陷波。对于在接地板上所开的槽，根据半波长谐振结构的原理，应该将槽的长度设置为相应陷波中心频率对应波导波长的一半。相当于引入了相对应频率点的陷波器。当天线在这一频率附近进行工作时，表面电流大量集中在槽口附近，造成阻抗失配，从而形成陷波。陷波中心频率与槽长度的关系用式(1)表示为

图2 双陷波超宽带天线结构示意图

式中fnotch为形成陷波的中心频率，c为光速，由于产生陷波的L形槽有2个，因而L为2个L形槽长度l的和，εeff为根据工程需要所设定的有效介电常数。假设εr为介质的相对介电常数，其计算方法如式(2)所示：

另一个产生陷波的圆弧状H形槽结构虽然在形状上有变化，但其原理同样是通过改变天线的电流分布，达到陷波的目的。不同于线形槽只通过改变槽长度来改变陷波中心频率，圆弧状H形槽拥有多个能对陷波范围产生影响的参数，相关的参数研究将在下一节进行分析。

3 实验结果分析

3.1 圆弧状H形槽的参数研究

为了使天线具有陷波的功能，在圆形的辐射贴片上开出一个圆弧状 H形槽。以覆盖工作频带为3.3~3.6 GHz的WiMax应用为目的设计陷波结构来对该槽进行设计。圆弧状H形槽的设计参数如图3所示，RH表示外圆弧的半径大小，LH0表示内外圆弧的半径之差，LH1表示连接两弧之间槽口的宽度，α表示弧形与水平线的夹角。

图3 圆弧状H形槽的参数

在进行参数研究之前，利用电磁仿真软件Ansoft HFSS对天线的表面电流分布进行了研究：在通带天线表面电流分布平均，而在阻带天线的表面电流集中在圆弧状H形槽附近。这表明圆弧状H形槽结构能够通过改变天线的表面电流分布，形成谐振结构，使天线实现陷波功能。通过多次仿真计算，将槽的各个参数大致确定，对参数的值在小范围变化中进行优化设计。如图4所示，在其它参数不变的情况下，槽的各个参数对陷波中心频率的位置有着大小不一的影响。在图4(a)中，参数RH的取值分别为7 mm, 8 mm, 9 mm，当RH的值在2 mm的范围内逐渐增大时，可以看到陷波明显地向低频位置移动，由4.5 GHz下降到3 GHz附近。在图4(b)中，参数LH0分别取值2.2 mm, 3.2 mm, 4.2 mm，可以看到，在变化上限同样是2 mm的情况下，参数对陷波位置的影响很小，陷波中心始终在3.8 GHz附近。在图 4(c)和图 4(d)中，分别对参数LH1和夹角α进行不同取值的仿真。参数LH1的变化范围在2 mm内，而陷波中心频率受其影响由4.5 GHz下降到 3.8 GHz。对夹角α进行不同的取值分别为π/ 6,π/ 4和π/3，结果显示，陷波中心频率随着夹角度数增大，由4.5 GHz下降到3.6 GHz。从图4(c)和图 4(d)可以看出，参数LH1和夹角α对陷波中心频率有较大的影响，但影响程度不如参数RH。最终，通过仿真将参数设定为：RH=8 mm,LH0=3.2 mm,LH1=2 mm,α=π/ 3。

图4 圆弧状H形槽的参数研究

从以上的参数研究中，可以得出圆弧状H形槽各个参数对陷波中心频率的影响程度，从而得到结论：圆弧状H形槽中多个参数都对陷波中心频率有较大影响。所以圆弧状H形槽的特性是调整槽中的一个或几个影响较大的参数将陷波控制在理想的位置，并通过调整影响较小的参数对陷波中心进行微调，使中心频率的位置更为准确。相对于线形槽仅能靠改变槽长度来控制陷波位置，圆弧状H形槽结构的优势在于能够以槽参数组合的形式来达到此目的。显然，这样的陷波结构更加灵活，更能够适应实际生产和应用的需要。

3.2 天线的陷波特性分析

在辐射贴片和接地板上开槽之后，超宽带天线具备了双陷波特性。经过对槽口参数的设定，将陷波的中心频率设置为3.6 GHz和5.6 GHz，从而就能避免来自WiMax以及WLAN系统的信号干扰。如图5所示的天线回波损耗图中可以看出，在加入了双陷波结构之后，天线在2个频带拥有了陷波的功能。

图5 双陷波超宽带天线的回波损耗

为了更好地解释该天线产生陷波的原因，图 6显示了天线在频带内的输入阻抗曲线。从图中可以看到，天线的输入阻抗在两个陷波频带发生了剧烈的变化：阻抗实部远大于50 Ω，阻抗的虚部脱离了原来0 Ω的范围。从中可以得到的结论是天线的电抗曲线在这两个频带呈现为并联谐振电路特性，天线呈现出陷波的特性。

图7为天线的等效电路图。在天线中引入了陷波结构，等效于在电路图中增加了两个谐振枝节。结合图6中的天线阻抗曲线，可以理解为这两个谐振枝节的存在相当于电路中串联了两个 LC并联谐振电路。同时需要将两个并联谐振电路的谐振频率设定在3.6 GHz以及5.6 GHz附近。这两个谐振枝节在两个陷波频带时分别产生谐振作用，导致天线无法正常地接收信号，避免来自其它通信系统的信号干扰。

图6 双陷波超宽带天线的输入阻抗

图7 双陷波超宽带天线的等效电路图

3.3 实测结果分析

根据仿真计算对天线各个参数进行优化选择之后，选择合适的材料制作了天线实物。天线的基板采用介电常数为4.4的FR-4板，利用50 Ω的带法兰头转接器作为馈电接口，天线实物的尺寸为35.5×30.0×1.6 mm3。利用矢量网络分析仪对天线实物进行了测试，天线的回波损耗如图8所示。从图中可以明显地看出，实测结果与仿真结果十分接近，天线在3.6 GHz和5.6 GHz频带附近产生陷波，达到了设计的目的。造成实测结果与仿真结果的细小差别的原因可能是制造精度的不足或天线转接头的接触问题。

天线的增益经过实测在图9中显示。从图中可以看到，天线在超宽带频带中的通带内增益稳定在3~5 dBi之间，而在两个产生陷波的阻带内增益有明显下降，最多下降到-5 dBi附近。从增益的角度来看，该天线在通带内有良好的增益，能够稳定地工作，而在阻带范围内无法正常工作，从而避免了来自其它系统的信号干扰。

从应用的角度看，超宽带天线在具备陷波功能的同时，需要在通带具备全向的辐射特性。图10展示的是天线在3个通带(2.9~3.3 GHz, 3.8~5.1 GHz,6.0~10.6 GHz)中某频率点的辐射方向图的仿真分析结果。从图中可以看出，辐射方向图在 E面(yz-平面)呈现的形状为一个较宽的“8”字，而在H面(xz-平面)近似为一个圆形。这个结果表明，该天线在3个不同的通带都具备良好的辐射方向特性，能够满足超宽带通信系统的工作要求。

图8 双陷波超宽带天线的实测结果

图9 双陷波超宽带天线的增益

图10 双陷波超宽带的辐射方向图

4 结论

本文提出一种具有双陷波特性的超宽带天线，能够在超宽带频带内稳定工作，并屏蔽来自WiMax和WLAN等窄带通信系统的信号干扰。该天线的陷波结构由辐射贴片上的圆弧状H形槽和接地板上的两个L形槽产生。对圆弧状H形槽的参数研究表明，相对于线形槽，这种开槽结构能够以槽参数组合的形式更有效地对陷波中心频率进行控制。同时，通过仿真和实测结果分析，验证了该天线除了具有良好的陷波特性外，在辐射方向性上也表现出色。

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