基于U形槽的超宽带三陷波天线的设计

侯翔宇，张兴红，李奕锐，李 三，刘淼源

（重庆理工大学 两江国际学院，重庆 401135）

超宽带无线电技术最初一直作为机密通信项目，一直在军事领域中被限制使用，起初主要应用在军事雷达和雷达监测等一些重要保密的领域，严禁用于其他领域［1］。2002年美国联邦通信委员会通过了允许超宽带技术用于民用的规范，并将3.1～10.6 GHz的频率范围分配给通信系统和测量系统使用［2-4］。超宽带技术在航空器中得到广泛的应用，例如无人机的相对导航、无人机的室内定位和集群定位以及舰载无人机的自动着舰等技术领域均涉及超宽带技术的应用［5-8］。因此，随着雷达、航天航空器等的快速发展以及遥测、通信技术的不断提高，对超宽带天线提出了更多、更苛刻的要求［9］。

作为超宽带通信系统中的关键模块，超宽带天线具有成本低、易于小型化、易于加工等优点，所以超宽带天线的研发逐渐成为无线通信领域的焦点。然而，在无线通信技术飞速发展的同时，各种通信协议也随之日益增多，因此造成了可利用的频谱资源越来越少，而由此对超宽带系统造成的影响则来自多个窄带通信系统与超宽带系统之间形成的相互干扰［10］。例如WiMAX窄带通信系统、WLAN窄带系统以及X波段通信卫星下行波段信号的频段，其频段分别为3.3～3.8 GHz、5.15～5.825 GHz以及7.25～7.75 GHz，这3个频段均包含于超宽带通信系统的工作频段3.1～10.6 GHz中，因此我们要采取有效过滤的措施来避免这些窄带系统对超宽带系统产生的干扰［11］。如果在系统中添加滤波器件，将会增大系统的复杂程度，从而对系统的集成化与小型化产生不利效果，因此本文从天线的自身结构去着手解决这个问题，也就是在超宽带天线的基础上使其具有陷波功能，因为具有陷波功能的天线将更加有利于超宽带系统的大规模集成以及小型化，因此超宽带陷波天线成为研究的热点［12-15］。

近年来，对超宽带天线在固定频段的陷波已经可以实现，例如文献［16-17］中提到的单陷波和双陷波天线，但是固定频段的陷波具有一定的局限性，不足以灵活应对天线在不同应用环境中对不同频段进行陷波处理的需求，于是出现了文献［18］中提到的通过改变天线表面缝隙的相关参数来实现对陷波频段进行微调的陷波天线，但是微调的范围相对较小。文献［19-20］提到了可以实现双陷波到三陷波进行切换的天线，虽然具有一定的灵活性，但其本质上仍是固定频段的陷波天线。

本文基于文献［21］中的提到的一种天线模型，提出了一种新颖结构的三陷波单极子超宽带天线，采用微带线馈电方式，通过引入3个U形槽来实现超宽带天线在WiMAX、WLAN以及X波段信号下行频段这3个频段的陷波。相比其他不规则形状的缝隙，U型槽可以使贴片形成多调谐电路，从而降低Q值展宽带宽，并且U形槽具有一定的对称性，对天线方向图干扰较小。

1 天线的结构与设计

1.1 天线的结构

本文中提出的超宽带三陷波天线主要由介质基片、辐射贴片、接地板、微带馈电线以及3个U形缝隙组成。介质基片的材料为介电常数为4.4的FR4基片，其损耗正切为0.02。天线厚度为h＝1 mm，尺寸为30 mm×30 mm，通过3个U形槽来分别实现超宽带天线在WLAN、WiMAX以及X波段卫星通信下行频段这3个频段的陷波特性。

图1为天线的结构示意图，经优化后天线的最终设计尺寸如表1所示。

图1 天线结构示意图

表1 天线结构参数

1.2 天线的设计过程

原始超宽带天线的工作频段为3～10.7 GHz，在超宽带天线的基础上实现三陷波特性主要分为3个步骤，如图2所示。

图2 天线设计步骤示意图

步骤1：在已有的超宽带天线的辐射贴片下部刻蚀U形槽，形成陷波阻带，通过调整和优化a、b、c、d尺寸参数，实现对WLAN的陷波。对b尺寸参数进行调整可以调整单陷波频段。

步骤2：在天线的辐射贴片上部刻蚀U形槽，通过调整和优化o、u、k尺寸参数，形成WiMAX频段的谐振，实现该频段的陷波，通过调整a尺寸参数，可以对双陷波频段进行微调。

步骤3：在天线接地板上刻蚀U形槽，通过调整和优化a1、b1、c1尺寸参数，实现X波段下行频段的陷波，通过调整b1尺寸参数，可以调整三陷波频段。

陷波中心频率与U形槽长度尺寸的关系为

式中：fn为陷波中心频率；c为光速；L为U形槽长度尺寸；εe为等效介电常数；εr为介质基板的介电常数。

图3为三陷波超宽带天线设计过程中S11参数曲线。

图3 各步骤天线对应回波损耗

步骤1对应图中单陷波曲线，从图中可以看出在超宽带频段（3～10.7 GHz）中，在5.0～5.83 GHz出现陷波特性；步骤2对应双陷波曲线，从图中可以观察到：在步骤1的基础上通过在辐射贴片上部刻蚀U形槽从而实现3.28～3.7 GHz的陷波特性，天线带宽几乎无变化，且第2个U形槽的刻蚀对第1个U形槽形成的陷波频段影响不大；步骤3对应三陷波曲线，在步骤2的基础上通过在接地板中部刻蚀U形槽从而实现7.17～7.86GHz频段的陷波特性，天线带宽几乎无变化，且第3个U形槽的刻蚀对前2个U形槽形成的陷波频段影响不大，3个陷波频段基本上覆盖了WLAN、WiMAX和X波段信号下行频段。将三陷波天线的回波损耗曲线同原始超宽带天线的回波损耗曲线进行对比可以发现，三陷波天线的工作带宽较原始超宽带天线而言在低频3～3.4 GHz部分有一定程度的延展，回波损耗特性优于原始超宽带天线，在5.9～7.1 GHz频段三陷波天线的回波损耗大大低于原始超宽带天线，在高频10～10.4 GHz部分回波损耗特性优于原始超宽带天线，在高频9～10 GHz部分回波损耗特性相对于原始超宽带天线较差，三陷波天线的其他通带频段回波损耗较原始超宽带天线差异较小，故在原始超宽带天线的基础上刻蚀3个U形槽之后，在实现3个频段陷波的同时还使得天线带宽发生延展，回波损耗特性有所改善。

1.3 天线参数对陷波特性的影响

图4为U形槽对天线回波损耗的影响。调整位于天线辐射贴片上的WLAN频段U形槽的a、b尺寸参数，天线接地板上的X波段信号下行频段U形槽的b1尺寸参数，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影响

2 天线辐射性能分析

2.1 天线电流分布

为了能够更加直观地展示出在辐射贴片上开槽能够使得天线在特定的频段内具有陷波特性，下面通过HFSS进行仿真并给出本文设计的陷波天线其在特定的陷波频段的中心频率的电流分布图。图5所示为在3.4、5.7和7.37 GHz 3频率点处电流分布。在辐射贴片和接地板上所开的U形槽改变了辐射贴片的电流分布，使表面电流集中在U形槽附近，在陷波频率相应U形槽为谐振点，能量集中在陷波结构中并未向外辐射，在其他频率点时U形槽则未处于谐振状态。

图5 各频率电流分布

2.2 天线远场区辐射方向图

图6给出了三陷波天线分别在3、5、7和9 GHz这4个频点处的远场E面以及远场H面辐射图，这4个频点分别位于三陷波天线的4个通带范围内。从图6中可以看出：该天线在E面辐射方向图近似偶极子，在3 GHz和5 GHz两个频点处呈8字形，具有良好的方向性，但在7 GHz和9 GHz这两个频点呈不规则8字形。天线的H面方向图在低频段具有良好的全向性，近似为等幅全向且具有对称性，但在7 GHz和9 GHz所在的高频部分H面辐射场强有所减弱，但辐射强度仍满足超宽带天线的通信要求。从天线的辐射方向图可以看出：超宽带三陷波天线为全向型天线，且适用于大多数超宽带技术应用的场景，例如基于超宽带技术的近距离精确室内定位、超宽带短距离通信技术以及之前提到的无人机的相对导航和室内定位等应用场景。

图6 天线远场辐射图

2.3 天线驻波比

图7为三陷波天线对应的VSWR图，从图中可以看出：在WLAN频段内天线驻波比有一尖峰，在WiMAX频段内有一尖峰，在X波段卫星通信下行波段对应频段有一尖峰，WLAN频段内驻波比为3.5，WiMAX频段内驻波比为4和X波段卫星通信下行波段对应频段驻波比为4.5，其余超宽带频段的驻波比均小于2，所以在3个陷波频段内天线能量反射损耗较大，具有良好陷波特性，且在3～10.7 GHz其余频段内均满足超宽带天线特性。

图7 陷波天线驻波比

2.4 天线回波损耗

图8为三陷波天线回波损耗，从图中可以看出：天线在WLAN频段、WiMAX频段以及X波段信号下行频段的回波损耗最高达到-5 dB，且在3～10.7 GHz范围内其余频段对应的回波损耗均达到-10 dB以下，满足超宽带天线工作要求。

图8 陷波天线回波损耗

3 结论

本文中提出的超宽带三陷波天线通过在超宽带微带天线上刻蚀3个U形槽来实现WiMAX频段、WLAN频段以及X波段信号下行频段这3个频段的陷波，可正常工作的频带约为6 GHz，通过仿真验证了天线具有较好的陷波效果。具有易于小型化、易于加工制作的优点，在原有超宽带天线基础上增加3个频段的陷波之后，依旧保持了在超宽带频段较好的辐射性能，且在部分频段天线辐射性能要优于开缝之前。相比在天线设备前端加带阻滤波器的方案，本文所设计的超宽带三陷波天线更具有工程应用价值，使用微带线馈电更容易形成大的天线阵列。