一种新型四陷波超宽带天线的设计

吴 玲， 夏应清， 李 蕾， 姜遥歌

(1.华中师范大学 物理科学与技术学院， 武汉 430079; 2.武昌理工学院 信息工程学院， 武汉 430074)

一种新型四陷波超宽带天线的设计

吴 玲1*， 夏应清1， 李 蕾2， 姜遥歌1

(1.华中师范大学 物理科学与技术学院， 武汉 430079; 2.武昌理工学院 信息工程学院， 武汉 430074)

设计了一种新型的结构紧凑的四陷波超宽带天线.天线的基本结构由U型辐射贴片、渐变微带馈线和半椭圆形地板组成.通过蚀刻对称的L型槽来抑制WiMAX的干扰；蚀刻圆环形互补开口谐振环(CSRR)以滤除上边带WLAN和下边带WLAN；以及对称的C型枝节来达到在X-band的陷波特性.实验结果表明，天线在超宽带2.58～13 GHz频段内电压驻波比小于2，同时在3～3.8 GHz、5～5.37 GHz、5.6～6.1 GHz和7.15～7.8 GHz四个频段内具有陷波抑制作用，在其余UWB频段内具有良好的辐射特性.天线尺寸小，仅为20×30 mm2.

超宽带天线； 微带天线； 四陷波； 互补开口谐振环

自2002年美国联邦通信委员会宣布将3.1～10.6GHz频段划归为超宽带(Ultra-wideband， UWB)的民用频段以来，超宽带通信技术在科研和工业领域得到了迅速发展[1-2].但是在UWB频谱范围内同时还存在其他的通信系统，比如WiMAX(3.3～3.7 GHz)，WLAN(5.15～5.35 和5.725～5.825 GHz)，以及7.25～7.75 GHz的 X波段下行通信信号.为了实现超宽带通信系统与其他通信系统的兼容，降低各个通信系统之间的潜在干扰，最直接有效的方法就是使超宽带天线在相应频段内呈现陷波特性.

近年来，国内外的学者设计或者提出了各种具有陷波特性的UWB天线，比如文献[3]在辐射贴片上蚀刻L型槽和地板上的L型枝节来实现3.9/5.5 GHz双陷波.文献[4]通过蚀刻两个圆弧形槽和C型槽来实现WiMAX (3.3～3.7 GHz)，WLAN (5.15～5.85 GHz)和X-band (7.1～7.76 GHz)的三陷波.由于WLAN可分为上WLAN(5.725～5.825 GHz)和下WLAN(5.15～5.35 GHz)，考虑到频谱资源的紧张，分别滤除上WLAN和下WLAN则可以提高频谱利用率，正如文献[5-8]中设计的四陷波天线.本文设计了一种紧凑的四陷波天线，通过在辐射贴片上蚀刻L型槽和圆环形互补开口谐振环(CSRR)，以及在渐变微带线两侧增加对称的C型枝节来达到四阻带特性.天线的整体尺寸为20×30×0.8 mm3，比文献[5-8]中的四陷波天线尺寸小.

1 四陷波天线结构设计

天线的几何结构和尺寸如图1所示.天线采用相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.018的FR4基板，其厚度为0.8 mm.天线由50欧姆的渐变微带线馈电.U型辐射贴片和半椭圆形地板的结构便于在较宽频带内实现阻抗匹配.通过调整陷波结构的长度，使其等于阻带中心频率对应波长的一半或者四分之一，即可在该频段范围内形成陷波.

在本设计中，首先在辐射贴片上蚀刻对称的L型槽，其总长度近似为3.5 GHz(WiMAX)对应波长的四分之一.CSRR的内外环长度分别近似为5.8 GHz(上WLAN) 和5.3 GHz(下WLAN)对应波长的二分之一，因此CSRR用来产生上WLAN和下WLAN频段内的陷波特性.为了获取7.15～7.8 GHz频段的陷波特性，在渐变微带线两侧增加对称的C型枝节，其总长度近似为7.5 GHz(X-band)对应波长的二分之一.

通过在CST中优化设计，最后确定了天线的最佳尺寸(单位：mm)：L=30，W=20，Wr=16，L1=10.4，L2=9，L3=2.9，L4=4.45，L5=2.4，L6=1，Lr=12，w1=2.6，w2=0.7，w3=1.6，w4=7，w5=0.3，w6=0.2，wd=0.2，d1=12.8，g1=0.9，

图1 天线结构示意图Fig.1 The sketch of proposed antenna

g2=3.45，R1=8，R2=2.44，R3=3.12.

2 实验结果分析

为了进一步地掌握陷波结构对天线性能影响，特别是CSRR结构对上下WLAN双陷波的影响，在CST软件中对C型枝节的高度L3和CSRR的位置d1进行了仿真和分析.如前文描述，7.5 GHz X-band 陷波频段主要由C型枝节的长度2L4+L3决定.在图2(a)的仿真中，其它参数不变，改变L3，得到不同长度的C型枝节.从图2(a)可见，当C型槽的高度值L3增加时，C型枝节的长度变长，其对应的陷波频段左移，同时其他3个陷波频段几乎不受影响.图2(b)显示，当CSRR的位置d1逐渐靠近馈电点时，即d1变小时，上下WLAN两个陷波频段的幅度变高，同时频率范围增大.在保证VSWR>2的条件下，为了提高频谱的利用率，希望陷波频段覆盖上下WLAN的同时频谱范围窄，故选取d1=12.8 mm.改变如图2(c)中L型槽的长度，可以发现，当长度增加时，第一个陷波频段整体左移，中心频率变小.该图说明L型槽的长度对WiMAX陷波段有很大的影响.

为验证四陷波特性的存在，图3仿真了天线在4个陷波频率点的表面电流分布. 由图可见，在4个陷波频率点，电流分别集中在对应的陷波结构单元附近，此时能量无法被天线辐射，因此形成4个陷波.

图3 天线表面电流分布Fig.3 Surface current distributions on antenna

根据上文中的仿真优化结果将天线进行加工，其实物见图4.使用网络矢量分析仪Agilent E8362B 对天线进行实物测量，得到VSWR测量结果.图5给出了天线测量和仿真的VSWR对比.从图中可以看出，除了4个陷波频段(3～3.8 GHz、5～5.37 GHz、5.6～6.1 GHz和7.15～7.8 GHz)，天线在2.58-13 GHz频段内电压驻波比小于2， 满足了UWB频段范围和四陷波的要求.仿真和实测结果大致吻合，存在的偏差可能是由焊接技术，介质板的质量及制造误差等因素造成.

图4 加工后的实物图Fig.4 Fabricated antenna

图5 VSWR的测量与仿真结果对比Fig.5 Simulated and measured VSWR

天线在4，6.5和8 GHz时的实测方向图如图6所示.图6(a)中，天线在E面呈现出类似偶极子的辐射特性，在图(b)中，天线在H面近似全向辐射，虽然方向图存在一定的畸变，但是总体趋势不变.因此该天线在超宽带范围内有良好的辐射特性.天线的增益特性如图7所示，由图可见在4个陷波频段内，天线增益下降明显，此时天线几乎不工作.在其他频段内，天线增益比较稳定，天线具有良好的增益特性.

图6 不同工作频率下的方向图Fig.6 Measured normalized far field radiation patterns

图7 天线的增益曲线Fig.7 Gain of the antenna

3 结论

本文设计了一种结构紧凑的具有四陷波特性的超宽带天线.通过蚀刻L型槽，CSRR和C型枝节，可以有效地滤除WiMAX(3～3.8 GHz)，上WLAN(5.6～6.1 GHz)，下WLAN(5～5.37 GHz)以及X-band(7.15～7.8 GHz).同时天线在2.58～13 GHz满足超宽带要求，并且有良好的远场方向图和稳定的增益特性.因此该天线符合UWB天线的要求，同时具有四陷波特性，在超宽带通信系统中有一定的实际意义.

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Designofanovelquad-bandnotchedUWBantenna

WU Ling1, XIA Yingqing1, LI Lei2, JIANG Yaoge1

(1.College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan, 430079;2.Information and Engineering School, Wuchang University of Technology, Wuhan 430074)

A novel and compact UWB antenna with four notched bands is presented. The basic antenna consists of a U-shaped radiating patch, a tapered microstrip feed-line, and a semielliptical ground plane. By etching a pair of L-shaped slots, CSRR, a pair of C-shaped stubs and four notched bands are achieved to prevent interference from WiMAX, Lower WLAN, upper WLAN and X-band. Experimental results show that the proposed antenna operates from 2.58 to 13 GHz, except for four stop bands of 3.0～3.8 GHz, 5.0～5.37 GHz, 5.6～6.1 GHz and 7.15～7.8 GHz. Good radiation patterns within the operating band have been observed. The antenna has a compact size and it is only 20×30 mm2.

UWB; microstrip antenna; four notched bands; CSRR

TN822+.8

A

2017-03-22.

*E-mail: ruochen143abc@163.com.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.05.007

1000-1190(2017)05-0596-04