一种可控三陷波超宽带天线设计与研究

董 健 胡国强 徐 曦 施荣华

1 引言

超宽带（UltraWide Band, UWB）技术自上世纪的中期出现以来，从最初的军事用途发展为民用经历了一个漫长但具有突破性的过程。自2002年美国联邦通信委员会通过了允许将超宽带技术应用于民用通信的规范，并划分了 3.1～10.6 GHz的工作频带，超宽带技术得以迅速发展[1]。相较于一般的窄带系统，超宽带技术具有许多优势，如超宽的信号传输带宽，较低的发射功耗以及高数据传输速率等[2]，因此具有非常广阔的发展前景。由于超宽带系统工作频带极宽，与其他窄带系统往往存在频谱重叠，如 3.3～3.6 GHz的 无 线 城 域 网 （Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMax）频段，5.1-5.9 GHz的无线局域网（Wireless Local Area Networks, WLAN）频段和7.25～7.75 GHz的X频段卫星下行信号等。为了降低不同通信系统间的相互干扰，具有频带阻隔特性的陷波超宽带天线[3,4]设计成为研究热点。

陷波超宽带天线最初由美国 Schantz等人[5]于2003年提出，可以通过引入寄生单元[6,7]、分形结构[8]、调谐枝节[9,10]、开槽[11,12]等方式实现。这些方式中，开槽结构由于其实现比较简单，且对工作频带内的阻抗匹配影响较小，因而获得广泛应用。开槽形状各异，如直线形槽、V形槽、U形槽等，但它们的共同原理都是改变天线表面电流的分布，从而达到频率阻隔的效果。例如文献[11]中通过在辐射贴片上开C形槽，同时在接地板上开细长缝隙以形成陷波结构，这种结构的带宽比较宽，陷波特性良好。文献[12]提出了一种在矩形天线一侧开一条窄缝，并在辐射贴片中心引入一倒U 形槽的微带线馈电超宽带天线，该天线在5～5.9 GHz 实现了陷波。文献[13]提出了一种可重构的超宽带天线，该天线在微带馈电线和辐射贴片开槽，同时辐射贴片上的回形槽由两个二极管连通并通过控制两个二极管的状态使天线实现单陷波与双陷波的切换。这些设计方案中，有的不能同时屏蔽多个窄带系统的影响，有的线性槽可调节参数比较少，有的结构过于复杂，这些因素使得陷波中心频率的调整控制方式不够灵活。

鉴于此，本文设计了一种三陷波超宽带天线，在辐射贴片和接地板上分别开H和L形槽，同时在天线背面添加环形寄生单元实现三陷波特性。进一步地，通过在寄生单元处增加开关设置实现双/三陷波的功能切换，并增强陷波性能。仿真和实验结果均表明该三陷波超宽带天线具有良好的陷波功能和超宽带工作特性。

2 三陷波超宽带天线结构设计

图1所示为双陷波超宽带天线[14]的结构，通过分别在圆形辐射贴片和接地板上开一个带圆弧边的H形槽和两条宽度为0.2 mm的L形槽实现双陷波特性，避免来自WiMax及WLAN通信系统信号的干扰。RH为圆弧的半径大小，LH0为内外圆弧的半径之差，LH1为连接两弧槽口的宽度，α为弧形与水平线的夹角。仿真优化后确定的双陷波超宽带天线各项参数如表1所示。相对于线形槽，这种开槽结构可以通过槽参数组合的形式更有效地控制陷波中心频率。L形槽的长度可以通过半波长谐振原理得到，当槽长度设置为陷波中心频率对应波导波长一半时，相当于在对应中心频率点引入谐振器，天线工作于此频率点附近时，表面电流将会集中在槽口周围，造成阻抗失配而形成陷波。陷波中心频率与槽长度的关系

式中，c为光速， fn为陷波的中心频率，在WLAN频段中设为5.6 GHz, L为两个L形槽长度l的和。εe为有效介电常数，设εr为介质的相对介电常数，两者之间关系为

代入参数，计算得到L为12.75 mm。

图1 双陷波超宽带天线结构示意图

该天线实现了3.3～3.6 GHz和5.1～5.9 GHz两个频带内的陷波特性，能够避免来自 WiMax和WLAN窄带系统的信号干扰。为屏蔽来自 X频段7.25-7.75 GHz卫星下行信号的干扰，在该双陷波超宽带天线的基础上，在基板背面增加一个环形的寄生单元（如图 2所示），从而增加一个阻带使天线实现三陷波功能。将环形单元的宽度W2设定为1 mm，陷波的中心频率设定为 7.4 GHz，根据半波长谐振原理，环长Rr通过式（1）计算得Rr=9.65 mm。在三陷波天线的基础上进行陷波的可控性设计，目的是将天线高频部分的陷波功能设计为具有开关特性。为此，采用添加环形寄生单元的开关作为控制部件，通过改变环形寄生单元长度来控制第3个陷波的中心频率。当该陷波中心频率处于原双陷波超宽带天线两个陷波中心频率中的任何一个附近时，陷波效果因为叠加而得到增加。当该陷波中心频率不在3.1～10.6 GHz范围时，仍然为双陷波超宽带天线。将寄生单元长度设计为开关形式，能够方便地实现双陷波与三陷波之间的切换，从而达到可控性设计的目的。

3 陷波特性及可控性分析

图3为三陷波超宽带天线的回波损耗曲线与超宽带天线回波损耗曲线的对比图。从图3中可以看出三陷波超宽带天线在频率为3.6 GHz, 5.6 GHz和7.4 GHz附近回波损耗曲线出现峰值且满足 S11＞-10 dB，此时三陷波超宽带天线在以上3个中心频率点附近形成3个阻带，这3个阻带能有效避免来自WiMax, WLAN和X频段卫星系统的信号干扰。

图2中，在天线背面用于产生高频陷波的寄生单元处，增加一个开关 1和开关 2。开关的环长根据半波长谐振原理计算，设添加开关后的寄生环总长度为R, f3为第3个陷波的中心频率，由式（3）：

表1 双陷波超宽带天线参数尺寸（mm）

图2 可控三陷波超宽带天线结构示意图

计算开关长度R。当R取值不同时得到不同的f3，从而实现第3个陷波中心频率的改变。这里设置开关1长度为3.1 mm，开关2长度为10.75 mm。

当开关 1，开关 2均断开时，天线和未改造的三陷波超宽带天线没有区别，实现三陷波的功能。当开关1闭合时，环形寄生单元的长度由原来的9.65 mm增加为12.75 mm，陷波中心频率变为5.6 GHz，天线在高频处陷波功能消失。同理，当开关2闭合时，环形寄生单元的长度由原来的9.65 mm增加为20.4 mm，陷波中心频率变为3.5 GHz，天线在高频处陷波功能消失。当开关 1，开关 2均闭合时，环形的总长度为23.5 mm，产生的陷波中心频率为3 GHz，该频率在超宽带工作频段之外。开关状态与天线阻带范围的对应关系见表2。

对三陷波超宽带天线进行开关设计不仅能实现高频段陷波功能的自由控制，而且可增强原来的双陷波功能。图 4为三陷波天线加入了开关设置且开关1闭合后的双陷波特性与原双陷波超宽带天线的陷波功能对比。从图中可以看到，加入开关设置后，天线在中频的陷波功能更强，阻带的部分曲线更为陡峭，峰值较原双陷波超宽带天线更高，这说明天线的频率阻断效果更为明显。造成该现象的原因是开关1闭合，环形长度改变引起陷波频段的改变，两个同一阻带的陷波结构产生叠加作用，这样天线在中频（5.1～5.9 GHz）的陷波功能加强。同理，开关2通过改变环形寄生单元的长度，使低频（3.3～3.6 GHz）陷波功能得到增强。总之，加入开关设置后，不仅实现了陷波功能的实时控制性，同时在该天线实现双陷波功能时，比原来的陷波性能有所提高。

表2 开关状态与天线阻带范围的对应关系

4 实测结果分析

根据优化后的参数制作天线实物。天线印制在介电常数为4.4厚度为1.6 mm的FR-4板上，这里开关采取等效结构，直接使用不同长度的环形寄生单元实现表2中的不同工作状态。利用矢量网络分析仪对天线实物测试，图5为三陷波超宽带天线回波损耗的仿真与实际测量结果。实测曲线与仿真曲线基本吻合，实测与仿真结果之间的细微差别可能由制造精度或天线转接头的损耗引起。从图5可以看出，在3.1～10.6 GHz频带范围内天线分别在3.6 GHz, 5.6 GHz和7.4 GHz频点附近产生陷波从而形成3个阻带。图6为三陷波超宽带天线的实测增益图，天线在通带内增益保持在3～5 dBi上下，而在阻带内增益则下降至-4 dBi左右。这说明天线在通带内能够正常工作，而在阻带内由于增益不足无法正常工作。

图3 三陷波超宽带天线的回波损耗

图4 开关1闭合时可控三陷波超宽带天线 与原双陷波超宽带天线的陷波功能对比

图5 三陷波超宽带天线 的实测结果

图6 三陷波超宽带天线的增益

图7 为该天线分别在3.2 GHz, 5 GHz, 6.8 GHz以及8.5 GHz频率点的远场辐射方向图，这4个频率点分别处于2.9～3.3 GHz, 3.8～5.1 GHz, 6～7.2 GHz, 7.8～10.6 GHz 4个通带内。从图中可知，天线 H 面（xz-平面）辐射方向图都为椭圆形，E面（yz-平面）辐射方向图都呈“8”字形。实测辐射方向图与仿真方向图基本吻合，这些方向图说明该天线在4个通带内辐射特性良好，满足超宽带通信的要求。

图7 三陷波超宽带天线的辐射方向图

5 结论

本文提出一种具有可控三陷波特性的超宽带天线，该天线通过分别在圆形辐射贴片和接地板上开圆弧状H形槽及两个L形槽，同时在基板背面添加环形寄生单元来实现可控三陷波特性。对天线环形寄生单元进行了开关设计，通过研究表明，开关的使用能够将天线进行双/三陷波的切换，当天线工作在双陷波状态时陷波功能得到了增强。仿真与实测结果表明该天线具备良好的陷波特性和辐射特性。

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