一种单阻带超宽带微带天线的设计与研究

王灵敏，单江东

（吉林大学 电子科学与工程学院，吉林 长春130012）

近年来，超宽带（Ultra Wideband，UWB）技术在无线通信方面的应用得到了进一步关注和更为深入的研究.超宽带系统抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小，安全性高。 UWB 天线作为UWB 系统关键技术，在工作频带内不仅需要具备阻抗匹配和平坦的增益[1－2]，而且需要在某些已被其他无线业务所占用的关键频段提供缺口， 尽可能降低收发干扰。平面单极子天线具有很多吸引人的特点而得到越来越多的重视和研究，如体积小重量轻加工简单且易于集成等优点且能很好的实现数据传输率高，低功耗，全向覆盖特性等[2]。

自从联邦通信委员会在2002 将3.1～10.6 GHz 划为民用以来，激起了研究者的极大兴趣。UWB 频段覆盖的频段较宽，同时覆盖了其他的无线通信频段，如WLAN 频段。 由此，设计和研究具备覆盖WLAN 频率范围的阻带特性的超宽频天线用以减少UWB 和WLAN 系统之间的干扰是非常有必要的。1近年来, 不少研究人员提出了各种带有阻带功能的超宽频天线用于超宽频通讯系统[3－5]。 一些通过在辐射贴片或者地板开不同形状的槽可以获得具有阻带特性的天线，如L 形槽，V 形槽及其混合型槽[6－7]，另一些通过附加寄生贴片来实现天线的阻带特性。

超宽带天线设计中有一个重要的准则：“粗胖者佳”，即采用所谓的“粗胖单元”，既可以使用占用较大体积的球体，也可以是平面的圆形结构，正是依据这一准则，文中所提共面波导馈电单极天线超宽带天线辐射单元采用了近似于圆形的五边形金属贴片. 文中所设计天线在频率段2.4～10.9 GHz 内 （除5.1～5.9 GHz 外）天线驻波比小于2，且天线具有近似全向辐射的特性；而天线在频率段5.00～5.95 GHz 内形成了阻带，从而有效阻隔了WLAN（5.150～5.825 GHz)频率段。 作者对所提天线进行仿真，制作，实测。仿真和实测数据能较好吻合，所得数据表明，该天线适用于UWB 应用并具有有效的阻带特性。

1 天线设计

文中天线结构配置如图1 所示。 所提天线由在带有凹槽的不规则五边形贴片和和两个L 形地板共同印制在介电常数4.4 的32 mm*28 mm*1.6 mm 大小的低价FR4 介质板同一表面构成，通过共面波导传输线进行馈电，五边形两个低角进切除了两个三角形形成阶梯状， 以便更好的与50－Ω 微带传输线进行匹配。 微带线宽W2=2 mm,微带线与两边地间缝隙g=0.4 mm。 文中天线其余部分具体尺寸如下：

L=32 mm,L1=8 mm,L2=9 mm，L3=12 mm,L4=1.5 mm,L5=L6=mm,L7=6 mm,R2=6.5 mm,W1=12.6 mm，W2=2 mm,W3=4 mm,W4=9 mm,W5= 20mm,W6=0.5 mm,H=1.6 mm，α=195°。 天线实物如图2 所示。

图1 天线结构示意图Fig. 1 Photograph of the proposed antenna

图2 天线实物图Fig. 2 Geometry of the proposed antenna with C-shaped slot

2 仿真和测试结果

所提天线由Ansoft HFSS 软件构建和仿真，并用Anritsu 37269C vector network analyzer 进行了测试。 如图3 所示。

图3 天线驻波比（VSWR）的仿真和测试结果Fig. 3 VSWR of the proposed antenna

图3 所示是仿真和实测阻抗带宽，两者很吻合。仿真和测量结果之间的差异可能由测量的环境效应,SMA 连接器效果,制造缺陷和介质板质量造成,这些因素在模型过程未考虑。 所提天线具有好的阻抗带宽， 驻波比小于2:1 的范围覆盖了2.2～10.8 GHz， 并形成了以5.5 GHz 为中心频率的阻带特性。为了更好的说明C 形缝隙对天线阻带特性的影响。 下文分别对α 和R2对天线驻波比的影响进行了具体分析。

图4 给出了C 形缝隙角度α 对阻带中心频率和影响，可以看出，随着角度增大，阻带中心频率往高频方向移动。 由此可见，C 形缝角度越小，导致阻带中心频率偏移越严重，为了保证阻带中频在5.5 GHz 附近，最合适的α 选择195°。

图4 α 对天线驻波比（VSWR）的影响Fig. 4 Relations between the VSWR and variations of α

图5 给出了C 形缝隙半径R2对阻带带宽的影响， 随着R2 的增大阻带带宽往低频增大。 C 形槽半径越大，有效总长度越大，对天线表面电流分布影响越大，越能影响电流流向和强弱分布。 电流在遇到C 形槽时，受到阻碍改变原来流向和分布，而沿着C 形槽周围分布，使得槽周围电流分布变强，产生阻带特性。

图5 R2 对天线驻波比（VSWR）的影响Fig. 5 Relations between the VSWR and variations of R2

图6 （a）(b)(c)(d)给出了2.4,5.5，和7 GHz 处的XZ 面和YZ面线性极化和正交极化方向图。 从结果看出所提天线具有较好全向性。

图7 给出了5.5 GHz 处的表面电流分布图。从图看出，在5.5 GHz 处表面电流明显聚集的c 槽周围，这是由于c 槽干扰了表面电流的正常分布而沿着c 槽的路径流动， 从而形成阻带特性。

图6 天线在频点(a) 2.6GHz, (b) 5.5GHz, and (c) 7 GHz 处远场方向图Fig. 6 Measured radiation far-field patterns for the proposed antenna at (a) 2.6GHz, (b) 5.5GHz, and (c) 7

图7 天线5.5 GHz 处表面电流分布图Fig. 7 The surface current distribution of antenna at 5.5 GHz

图8 给出了所提天线在工作频段内某些离散点处峰值增益,在5.5 GHz 附近增益明显下降，表现出阻带特性。 数据进一步表明所提天线能很好胜任UWB 应用。

图8 天线增益值Fig. 8 Measured gain values of the proposed antenna

3 结论

文中提出了一种不规则五边形超宽带天线， 该天线在2.2～10.8 GHz 范围了满足VSWR＜2， 并且通过在辐射贴片上插入C 形缝隙在5.1～5.9 GHz 频段内成功实现了阻带特性，同时表现出好的全向辐射模式，具备UBW 应用所需特性，而且体积小，质轻，成本低。 仿真和测试数据的高度相近，表明文中所提天线对于UWB 系统是一个诱人的选择。

[1] Lin S,Cai R N,Huang G L,et al.A miniature UWB semi－circle monopole printed antenna[J]. Prog Electromagn Res Lett,2011(23):157－163.

[2] Tang Y,Tian X J.A novel heart－shaped monopole antenna for UWB and RFID applications [J]. Microwave and Optical Technology Letters,2011(53):2288－2291.

[3] Li W Y,Wong K L,Su S W.Ultra－wideband planar shorted dipole antenna with two C －shaped arms for wireless communications[J].Microwave & Optical Technology Letters,2007(49):1132－1135.

[4] Zhang G M,Hong J S,Wang B Z.Two novel band－notched UWB Slot antennas fed by microstrip line [J].Progress in Electromagnetic Research,2008(82):127－136.

[5] Kim Y,Kwon D H.CPW－fed planar ultrawideband antenna having a frequency band notch function [J].IEEE Electronic Letters,2004(40):403－405.

[6] Choi S H,Jeong G T,Park H H,et al.Compact band－notched ultrawideband Y－shaped antenna with dual inverted－L slots[J]. Microwave & Optical Technology Letters,2008(50):2797－2799.

[7] AbboshA M.Miniaturized Microstrip － Fed tapered －slot antenna with ultrawideband performance[J].IEEE Antennas &Wireless Propagation Letters,2009(8):690－692.