具有双带阻特性的超宽带缝隙天线

韩曹政，唐晋生

(西南交通大学 电磁场与微波技术研究所，四川 成都 610031)

具有双带阻特性的超宽带缝隙天线

韩曹政，唐晋生

(西南交通大学 电磁场与微波技术研究所，四川 成都 610031)

设计了一款微带馈电的超宽带缝隙天线，整体尺寸仅有30 mm×30 mm×1.6 mm，在3.08～11 GHz范围内驻波比小于2，可覆盖超宽带频段。为了实现对WiMAX和WLAN频段的陷波，分别在地板和馈线上蚀刻不同缝隙，仿真结果表明：在3.2～3.7 GHz，5～5.9 GHz驻波比大于2，增益显著下降，而在通带内仍然保持良好的全向辐射特性和稳定的增益。该天线结构简单、性能优良，能广泛应用于超宽带通信系统中。

超宽带；带阻特性；缝隙天线；开槽

超宽带(Ultra-Wideband， UWB)技术以其穿透力强、抗干扰力强、高传输速率及功耗低等特点，在舰载雷达、电子对抗、短距离无线通信领域得到广泛应用。2002年2月美国联邦通讯委员会(FCC)批准3.1～10.6 GHz频段作为商业用途后，超宽带系统得到了迅速发展，一系列不同形式的超宽带天线被相继提出[1-3]，但是在超宽带频段内还存在其他如WiMAX(3.3～3.7 GHz)，WLAN(5.15～5.35 GHz， 5.725～5.825 GHz)等窄带通信频段，为避免超宽带系统与窄带通信的相互干扰，具有带阻特性的超宽带天线随之产生。克服干扰的一种途径是增加带阻滤波器，但是滤波器的使用会增大设计成本和系统复杂性。一种简单有效的方法是在天线辐射贴片或地板嵌入不同形式的谐振结构[4-5]，另外一种方法是增加寄生单元。文献[6]在地板和馈线分别引入L形缝和L形枝节产生双阻带，文献[7]在馈线两旁和地板边缘加载曲折形枝节实现带阻特性，文献[8-9]通过在辐射片内嵌入不同形状缝隙获得阻带，文献[10-11]引入不同的寄生枝节产生阻带，文献[12]采用蘑菇型EBG结构实现了三个频带的阻断。

本文设计了一款微带馈电的超宽带缝隙天线，在3.08～11 GHz内电压驻波比(VSWR)小于2，通过在地板和馈线上开槽有效抑制了超宽带系统与WiMAX和WLAN频段的干扰，而且在通带内呈现出良好的全向辐射特性，并借助三维电磁仿真软件Ansoft HFSS对影响天线性能的关键参数进行了分析优化。

1 超宽带缝隙天线设计

超宽带缝隙天线结构如图1所示，选用厚度H=1.6 mm，相对介电常数为4.4的FR-4介质基板，采用50 Ω微带线馈电，馈线末端带有圆形调谐枝节，地板上开有半圆和多边形组合而成的宽缝，为了进一步改善阻抗匹配，在馈电点下方的地板上挖一个三角形缺口，形成渐变结构，天线整体尺寸只有30 mm×30 mm(W×L)。

图1 超宽带缝隙天线结构

超宽带缝隙天线馈线长度Lf对阻抗匹配的影响如图2所示，随着Lf增大，天线在整个UWB频带驻波比有恶化趋势。图3给出圆形调谐枝节半径R1从2.5 mm变化到5.5 mm对驻波比的影响，由图可知，R1主要影响低频段匹配，当R1减小到2.5 mm时，低频段阻抗匹配恶化较严重。

图2 驻波比随Lf变化曲线

图3 驻波比随R1变化曲线

图4为W2对驻波比的影响曲线，由图4可知，随着W2的增大，天线在低频段匹配状况有所改善，当W2增大到24 mm时，天线工作频率范围可覆盖UWB频段。

为了在UWB频段内进一步提升天线匹配性能，在馈电点下方的地板上挖去一个三角形缺口，形成渐变结构。不同尺寸缺口对天线驻波比影响如图5所示，可见，增加三角形缺口后中频段匹配有一定改善。

图4 驻波比随W2变化曲线

图5 三角形缺口对驻波比影响

经仿真优化后，天线最终尺寸为：Wf=3 mm，Lf=11 mm，R1=4 mm，Lg=10 mm，W1=12 mm，L1=4 mm，W2=24 mm，L2=3 mm，T1=4 mm，T2=6 mm。相应驻波比曲线如图6所示，天线在3.08～11 GHz范围内VSWR<2，阻抗匹配良好。

图6 超宽带缝隙天线驻波比

2 阻带结构设计

为了滤除WiMAX和WLAN频段，在上述超宽带缝隙天线的地板和馈线上分别蚀刻L形和折叠倒U形缝隙，如图7所示，L形缝和折叠倒U形缝尺寸初始值可由式(1)、式(2)计算得到

(1)

(2)

式中：L1，L2分别为L形和折叠倒U形槽的总长度；c为光速；fnotch为各自陷波中心频率；εre为有效介电常数，求得初始值后再由仿真软件优化得到最佳尺寸。

L形缝隙参数LS4对阻带特性影响如图8所示，L形槽主要影响WiMAX频段，随着LS4变长，阻带中心频率向低频移动，与式(1)相吻合，而另一个阻带基本没有变化。

图7 带阻天线结构

图8 驻波比随LS4变化曲线

折叠倒U形槽长度LS1及位置D1对阻带特性影响在图9、图10中给出，结果表明当其他参数不变时，随着LS1增大，WLAN频段陷波中心频率降低，当D1由4 mm增加到8 mm，阻带中心频率从5.7 GHz下降到5.3 GHz，阻带宽度变窄，同样，折叠倒U形槽尺寸的改变并没有对WiMAX陷波频段产生明显影响。

图9 驻波比随LS1变化曲线

经仿真分析得到阻带结构尺寸如下：D1=6 mm，WS1=1.8 mm，LS1=5 mm，S1=0.2 mm，g=0.3 mm，LS2=2 mm，LS3=4.5 mm，LS4=8.4 mm，S2=0.2 mm。图11为最终双阻带天线驻波比曲线，结果表明天线在3.2～3.7 GHz和5～5.9 GHz范围驻波比大于2，天线具有双陷波特性，而在除阻带外的UWB频段，匹配特性良好。

图10 驻波比随D1变化曲线

图11 带阻天线驻波比曲线

图12给出天线在4 GHz，7 GHz，10 GHz这3个频点上E面和H面的归一化辐射方向图。

图12 带阻天线辐射方向图

由图可看出，随着频率升高方向图虽然发生变形，但在整个通带内能基本保持稳定，E面呈现类似偶极子的哑铃型，H面有良好的全向性，可满足超宽带通信需求。

双阻带天线与无陷波结构的超宽带缝隙天线峰值增益对比如图13所示，带阻天线在3.5 GHz和5.5 GHz附近增益出现明显下降，而通带内保持在3～6 dB之间，可见嵌入两种谐振缝隙后天线有效抑制了WiMAX和WLAN窄带系统与UWB系统间的干扰。

图13 UWB与陷波天线峰值增益

3 结论

本文设计了一款超宽带缝隙天线，整体尺寸仅有30 mm×30 mm×1.6 mm，为了抑制UWB系统与WiMAX、WLAN系统的干扰，分别在地板和馈线上开槽，通过改变缝隙尺寸调节阻带中心频率和带宽，实现了3.2～3.7 GHz和5.0～5.9 GHz的频带阻断，同时在通带内具备全向辐射特性和稳定的增益，该天线体积小、结构简单、性能优良，有一定的实用价值。

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UWB Slot Antenna with Dual Band-notched Characteristic

HAN Caozheng, TANG Jinsheng

(InstituteofEM-TheoryandMicrowaveTechnology,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

A microstrip-fed UWB slot antenna is designed, whose overall size is as small as 30 mm×30 mm×1.6 mm.The Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) of slot antenna is less than 2 over the frequency range of 3.08～11 GHz, covering the whole range of UWB.Two kinds of slots are embedded into the ground plane and feed line to achieve dual band-notched characteristic in the frequency band of WiMAX and WLAN.The results of simulation show that the VSWR is greater than 2 in the frequency range of 3.2～3.7 GHz and 5～5.9 GHz where the gain decrease sharply, meanwhile this proposed antenna demonstrates almost omnidirectional radiation patterns and stable gain across the whole operating bandwidth.The band-notched antenna has a simple configuration and good performance, so it can be used in UWB communication widely.

ultra-wideband(UWB); band-notched characteristic; slot antenna; cutting slot

TN82

A

10.16280/j.videoe.2015.05.015

2014-08-15

【本文献信息】韩曹政，唐晋生.具有双带阻特性的超宽带缝隙天线[J].电视技术,2015，39(5).

韩曹政(1990— )，硕士，主研天线理论与技术、电磁兼容；

唐晋生(1960— )，副教授，主研天线理论与技术、电磁兼容。

责任编辑：闫雯雯