共面波导馈电的三陷波超宽带天线的设计

娄树勇，高海涛，许会芳

(安徽科技学院 电气与电子工程学院，安徽 滁州 233100)

0 引言

微带天线具有剖面低，质量小，体积小及易与微波电路集成的特点，广泛应用于相控阵雷达、射电天文、通信和导航现代设备中。2002年，美国联邦通信委员会(FCC)决定将超宽带(UWB)通信频段单独分离，作为民用频段(3.1～10.6 GHz)[1]。UWB技术具有超宽的信号传输带宽，高效的数据传输速率及低发射功率等优点，各类微带天线都被用于UWB通信系统[2-3]。然而，随着通信协议的增多，频谱资源分配越来越紧张。为了实现不同系统间的兼容，特别是为了抑制C频段卫星系统与WLAN系统的干扰，使用滤波器是一种常用的技术，同时，滤波器会增加电路的复杂性，不利于系统的大规模集成与小型化，因此，具有陷波特性的超宽带天线成为研究的热点[4-5]。

近年来，对具有陷波特性的超宽带天线进行了广泛地研究，其中主要有三类：

1) 超宽带平板单极天线。

2) 超宽带印刷单极天线。

3) 超宽带印刷缝隙天线。

为了避免干扰，在超宽带天线基础上通过加载谐振枝节或刻蚀槽方法实现超宽带天线的陷波功能[6-9]，但实现UWB天线的陷波特性时，并不能同时抑制WiMAX、WLAN及X频段等多个频段；多陷波天线结构复杂，不易加工制作；天线尺寸较大，难以进行系统集成。

为了满足超宽带天线的需要，本文设计一款能够实现三陷波特性的UWB天线。该天线采用共面波导技术进行馈电，来提高天线的频带带宽。首先，完成了结构简单的超宽带缝隙天线的设计，覆盖带宽3.00～11.82 GHz，其次，通过在辐射贴片加载“哑铃”型缝隙实现天线在3.52～3.80 GHz的陷波，抑制WiMAX信号的干扰，并通过调节其尺寸参数以实现陷波频率可调；在共面地板上刻蚀矩形槽以实现4.60～5.60 GHz的陷波，抑制WLAN系统的干扰；在微带馈线上，刻蚀不对称“U”型槽以实现7.62～8.30 GHz的陷波，抑制X频段的卫星系统干扰。所设计的三陷波天线具有结构简单，尺寸小的特点。

1 天线的结构与设计

1.1 天线的结构

三陷波超宽带天线主要由具有缺陷的共面波导接地面、辐射贴片、基板、共面波导馈电线、“U”型槽、“哑铃”型槽组成。其基本结构如图1所示，天线所用基板采用介电常数为4.4的FR4基板材料，厚度h=1.8 mm，天线的尺寸为30 mm×30 mm，天线的辐射贴片为圆形与矩形的组合，共面接地平面为渐变椭圆，便于实现在宽频带内的阻抗匹配，并通过50 Ω共面波导馈线进行馈电。

图1 三陷波UWB天线结构图

图1中各个参量分别为天线的结构尺寸，通过对天线参数的扫描与优化，天线的最终设计尺寸如表1所示。

表1 天线基本结构的尺寸

1.2 天线的设计过程

在天线的设计过程中主要分为4个步骤，如图2所示。步骤一：设计原始的超宽带天线，采用圆形与矩形组合的辐射贴片，部分椭圆形的共面接地板以及共面微带馈线，调整辐射贴片与共面接地面的尺寸，实现完全覆盖3.1～10.6 GHz的超宽带天线；步骤二：通过在辐射贴片上刻蚀“哑铃”型槽，形成陷波阻带，实现对于WiMAX的陷波，通过调整“哑铃”型槽的L3、L4、W1尺寸参数，可以调整陷波频段；步骤三：在共面接地面上刻蚀矩形槽，形成缺陷地，调整接地平面矩形槽的L7尺寸，形成WLAN频段的谐振，实现该频段的陷波；步骤四：通过在共面馈电线上刻蚀不对称“U”型槽，实现在卫星系统X波段的陷波，调整L5、L6可以对陷波频率进行微调。

图2 三陷波UWB天线设计步骤

引入“U”型槽和矩形槽的尺寸与陷波频率有关，总长度约等于陷波中心频率波长(λ)的1/4，如“U”型槽总长度(L5+L6+W5)与其陷波的频率有关[10]，且：

(1)

图3为三陷波UWB天线设计过程中S11参数曲线。步骤一的天线在3.0～11.8 GHz，回波损耗小于-10 dB，完全覆盖UWB频段(3.1～10.6 GHz)；步骤二的天线带宽几乎无变化，在3.5～3.8 GHz出现陷波特性；步骤三的天线在步骤二的基础上，通过在接地平面刻蚀矩形槽，在4.6～5.6 GHz出现新的陷波频段，由于互耦的影响，使步骤二的陷波频率向低频偏移；步骤四的天线是在步骤三的基础通过在共面馈线上刻蚀不对称“U”型槽，进一步陷波，在7.8～8.3 GHz产生陷波。

图3 各个步骤天线对应的回波损耗

2 天线的仿真优化

2.1 天线参数对陷波特性的影响

图4为“哑铃”型缝隙，缺陷地以及非对称“U”型槽对天线回波损耗的影响。调整“哑铃”型缝隙的L3与W1参数，缺陷地地板矩形槽长度L7，“U”型槽板长度L5和L6，会使陷波频率产生偏移，从而实现陷波频率可调。

图4 天线参数对回波损耗的影响

2.2 陷波中心频率的表面电流分布

为了验证陷波原理的实现，对天线在陷波中心频率的表面电流进行仿真，结果如图5所示，在3.6 GHz时，表面电流集中在“哑铃”型缝隙及缺陷地面的矩形槽附近，产生谐振点，能量集中在陷波结构中，并未向外辐射；在5.2 GHz时，表面电流集中分布在缺陷地的矩形槽附近；在7.8 GHz时，表面电流则集中分布在共面馈线的不对称“U”型缝隙附近，进一步验证了天线设计的合理性。

图5 表面电流分布

3 仿真和实验结果

3.1 天线远场区辐射方向图

图6为天线分别在频点3.4 GHz、4.2 GHz、7.2 GHz、9.6 GHz的远场区辐射方向图，这4个频点分别在2.20～3.52 GHz、3.80～4.60 GHz、5.60～7.62 GHz、8.30～11.82 GHz的4个通带内。在φ=90°，即天线E面，天线的方向图在两个低频段为圆形，在两个高频段为椭圆形，具有良好的全向辐射特性；φ=0°，即天线H面，天线的方向图为“8”型，具有一定的方向性，在9.6 GHz附近方向图稍有变形，但是，总体与单极子天线的辐射方向性一致，满足UWB天线的辐射方向要求，在通带内具有良好的辐射特性。

图6 天线远场辐射方向图

3.2 天线仿真与实测结果对比

如图7所示，最终对设计的天线制作实物，并将其回波损耗的实测结果与仿真结果进行对比，通过网络分析仪测试天线的S11参数。仿真结果与实测结果基本吻合，实测结果在WiMAX频段、WLAN频段及X频段略有偏移，在3.80～4.60 GHz通带内，通带频段变窄，回波损耗有所恶化，经过分析造成以上原因主要有天线在加工过程中具有误差、SMA焊接影响及测试环境的影响等。

图7 天线仿真结果与实测结果对比

4 结束语

本文设计了一种共面波导馈电的三陷波超宽带天线。天线带宽在2.20～11.82 GHz，通过加载“哑铃”型缝隙和在共面馈线上加载不对称“U”型缝隙以及缺陷地实现了三陷波功能，分别滤除了3.52～3.80 GHz、4.60～5.60 GHz、7.62～8.30 GHz3个频段，抑制了来自WiMAX、WLAN和X波段的干扰，在其他通带内有良好的辐射特性，在UWB天线中有良好的应用前景。