一种改进型折叠条带带陷UWB印刷单极子天线

惠鹏飞，周喜权，苗凤娟，赵 岩，秦 月

(齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006)

美国联邦通信委员会(FCC)于2002年公布了超宽带(UWB)用于民用的频段，在十几年的时间里，诸多学者围绕超宽带技术进行了广泛的研究，也取得了很多的成果。UWB技术应用非常广泛，诸如雷达成像、医学成像、实时监控、车载雷达等都有应用［1－2］。带陷UWB平面印刷天线作为UWB无线通信技术的重要组成部分，也成为了研究热点之一。带陷超宽带平面印刷天线主要分为两大类:带陷超宽带印刷缝隙天线和带陷超宽带印刷单极子天线，超宽带印刷单极子天线因其可方便和电路集成、小尺寸、易于加工等优点而备受青睐。目前，为了使超宽带印刷单极子天线获得带陷特性，可以通过在辐射贴片上开H形、2个倒L形和U形槽来实现，也可以通过在辐射单元上加载寄生条带的方法实现［3］。文献［4－5］采用对辐射贴片开槽的方法，对超宽带频率内工作频段的阻抗进行控制，达到陷波的目的。然而针对辐射的开槽设计容易导致天线辐射方向图的改变，对天线实际环境中的应用产生不利影响。文献［6］在馈电微带线上集成了超宽带滤波器，虽然具备较好的带外抑制特性，但微带线上集成超宽带滤波器使得设计的复杂度增加，同时也降低了天线的全向辐射特性。

本文在总结以往设计经验的基础上，对带陷超宽带印刷单极子天线进行了改进设计，利用在鱼叉型辐射臂上对称加载了两个折叠条带，调整折叠条带和缝隙的尺寸可以使天线具备良好的带陷功能，同时还可以获得近似的全向性和平坦的增益特性，设计方法得到了很好的验证。

1 参数估算和天线结构设计

1.1 天线设计参数估计方法

微带天线辐射贴片表面的电流分布规律与天线的中心频率和工作模式有很大的关联，电流路径法是借助于对辐射贴片表面的面电流路径长度的判断来近似估算贴片的谐振频率。可以通过对辐射贴片面电流分布规律的分析，来进一步优化微带天线的尺寸和结构，最终使得天线的整体性能符合技术要求，实践表明这种参数估计方法非常直观有效，已经被广泛采用，主要用来分析缝隙辐射贴片、双频天线或者宽频带天线［7］。

式中:c代表光速;Le表示等效电流路径长度;εe表示等效介电常数;W总表示贴片的宽度;h表示介质基板的厚度;εr表示介质的介电常数。

式(1)是利用对UWB印刷单极子天线截止频率的计算，来估计一些规则形状天线的尺寸参数，规则形状可以是圆形、方形或矩形等。而实际设计的UWB印刷单极子天线往往都是不规则形状，对于不规则形状天线尺寸的估算，需要通过计算天线的第一谐振频率才能估算出天线的尺寸参数。第一谐振频率计算法相比于电流路径法更简便可行，也得到了广泛的应用。

为了进一步揭示U形状印刷单极子天线表面的面电流分布规律，利用HFSS软件进行仿真分析，结果如图1所示。

图1 U形状印刷单极子天线面电流分布图

从图1不难发现一个基本规律，即电流主要集中在U形辐射贴片的终端边缘部位以及微带馈线上，而其余部分电流很小，由此可以得出等效电流路径的长度为

式中:L和W分别表示辐射贴片的长度和宽度;d表示间隙的宽度。

为进一步得出天线的S11仿真曲线，给出一组天线尺寸参数:L=14mm，W总=14mm，εr=3.5，h=1.2mm，d=1mm，W=5.65mm，图2表示了在上述天线尺寸参数下仿真的第一谐振频率S11曲线，由式(1)计算的f第一中心频率近似为3.82 GHz，而通过 HFSS12.0 软件运算所得的第一个谐振频率为4.10 GHz，误差仅为7.2%，因此电流路径法是估计天线参数尺寸很有效的方法，当然此处得出的仅仅是参数的初值，最终的参数值要通过HFSS优化得出。

1.2 天线结构设计

本文对上述基本的U型印刷单极子天线进行了改进设计，在两个基本的辐射臂上分别引出两个折叠条带，条带的宽度和长度记为L1×W1，折叠条带和辐射臂之间留有缝隙，缝隙的长度和宽度记为L2×W2，从而保证天线实现带陷功能。选取厚度为1.5 mm的聚四氟乙烯作为天线介质基板，该板损耗角正切tanδ≤0.001，εr=3.5，利用50Ω微带线进行馈电，介质基板的宽度和长度记为Wsub×Lsub。为了确保天线具备超宽带性能，接地面并未全部覆盖整个基板底部，而是采用有限面积的接地面，长度记为Lg。改进后的天线整体结构如图3所示，其中左侧为侧视图，右侧为正面图。

图2 第一谐振S11仿真曲线图

图3 UWB天线的整体结构图

通过前面介绍的电流路径法可知，UWB印刷单极子天线辐射贴片的参数尺寸的初值估计，可以通过天线的第一谐振频率的计算得到。按照本论文的设计要求，第一谐振频率为4 GHz，由式(1)可以近似计算出辐射贴片长度约为14.6 mm。为了进一步调节天线的匹配带宽到期望值，可以通过调整辐射贴片的宽度来实现。表1中列出了经过HFSS软件优化和仿真之后的天线的各项参数尺寸。

表1 HFSS优化后的天线各项参数尺寸

2 天线仿真分析和参数测试

根据HFSS12.0优化和仿真的结果确定了UWB印刷单极子天线的最终尺寸，按照上述数据制作了天线实物如图4所示。用PNA3623矢量网路分析仪对天线进行参数测量，主要测试天线的回损特性和VSWR(驻波比)等数据，并把测试数据和仿真结果进行了对比分析，结果如图5所示，通过对比曲线可以看出，测试结果和HFSS仿真计算结果基本一致，设计方法正确。测试该天线的阻抗带宽可以覆盖3.04 ～10.95 GHz，阻带的频率范围约为4.95 ～5.97 GHz，绝对带宽约为 7.88 GHz，满足设计要求，完全具备超宽带性能。

图4 超宽带印刷单极子天线实物(照片)

图5 3种情况下的驻波比仿真和实测曲线

由图5的3条曲线对比可以知道，辐射贴片上加载折叠条带时，驻波比曲线出现尖峰，天线明显具备带陷功能;当没有折叠条带时，驻波比曲线平坦，带阻特性消失。由此可见，在原有U型辐射臂上对称加载两个折叠条带，可以使天线具备良好的带阻特性。如需改变带阻特性，可通过调整折叠条带和缝隙的尺寸实现，下面对此进行了详细的分析。

利用HFSS12.0对天线的性能做进一步仿真分析和研究，观察折叠条带和缝隙的尺寸变化对天线回损特性的影响，分析结果如图6a～6d所示。为了更清楚地观察规律，此处让尺寸在小范围内变化，即条带长度调节范围为10.2 ～10.8mm，条带的宽度W1调节范围为1.7 ～2.3 mm，缝隙长度L2变化范围为8.4～8.6mm，缝隙宽度W2变化范围为0.4～0.6mm。由图6a、6c和6d回损变化曲线可以看出，当缝隙的长度L2和宽度W2以及加载条带的长度L1逐步增大时，陷波频段的带宽以及中心频率都会随之减小。由图6b可以看到，加载条带的宽度W1从1.7mm以0.3mm的间隔递增至2.3 mm，带陷频段的中心频率也逐渐变大，但天线的第一谐振频率几乎保持不变。

图6 天线的回损频率变化曲线

图7表示了不同的接地面长度下天线回损特性变化曲线。从图中可以看出，当接地面长度Lg为12 mm或者14 mm时，天线的高频特性和陷波特性均明显变差，为了得到良好的陷波特性和提高天线的性能，必须设法调节接地面长度Lg至最佳值。

图7 不同接地面长度L g下的回损变化曲线

为了整体衡量天线的性能，除需要观察阻抗带宽特性之外，还需要考察天线的方向图特性，看方向图带宽是否稳定。在HFSS12.0环境下仿真得出了5个不同频率点上天线的归一化E面方向图，如图8所示，该E面归一化方向图和半波偶极子辐射场方向图相似。图9表示5个不同频率点上天线的实测归一化H面方向图，从图中可以发现，随着频率的提高，方向图逐渐变差，这主要是由于低频辐射场所产生的高次谐波造成。尽管高频段天线的方向图变差，但在全部工作频带内天线仍然基本保持对称性和全向性。

图8 天线的归一化E面方向图(仿真)

图10表示了整个频段内天线的增益变化曲线。从测试曲线可以看出，在陷波频带以外的工作频带内，天线基本保持了较为平坦的增益特性，增益的均值约为2 dBi。在5.14～5.85 GHz的陷波频段内，增益明显下降，大约下降至－4 dBi，和其他工作频段相比下降了约6～8 dBi，这说明该超宽带印刷单极子天线具有明显的陷波特性。

图9 天线的归一化H面方向图(实测)

图10 天线增益变化曲线(实测)

3 结论

本文设计并实现了一种改进型的UWB印刷单极子天线，在U型辐射臂上对称加载了两个折叠条带，使天线具备了带陷功能，借助于HFSS软件详细分析了折叠条带和缝隙的尺寸变化对天线性能的影响。实际制作了天线的实物，测试结果和仿真结果基本吻合。该天线的阻抗带宽可以覆盖 3.04 ～10.95 GHz，阻带范围约为 4.95 ～5.97 GHz，绝对带宽为 7.88 GHz，完全具备超宽带性能。该天线的尺寸仅为31mm×35mm，加工方便且容易集成，可以广泛应用在短距离无线通信系统中。

［1］胡帅江，王光明，张晨新.一种新型陷波特性超宽带天线设计［J］.电视技术，2012，36(19):80－82.

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［3］郭晨，刘策，庞锐.改进型超宽带Vivaldi天线设计与仿真［J］.电视技术，2012，36(19):151－154.

［4］程勇，吕文俊，程崇虎.一种小型陷波多用途超宽带天线［J］.微波学报，2007(1):20－24.

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［7］徐海洋，张厚，梁建刚.新型超宽带单极子天线的设计［J］.电讯技术，2011，51(8):121－123.