一种五陷波超宽带天线的设计*

廖银霜1,王代强**

(1.贵州大学 大数据与信息工程学院,贵阳 550025 ；2.贵州民族大学 机械电子工程学院，贵阳 550025)

0 引 言

2002年，3.1～10.6 GHz频段在被联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)宣布划归为超宽带的民用频段之后便受到了广泛关注[1]。但是由于超宽带通信系统的工作质量常受到窄带信号的影响，所以研究人员通过采用在辐射贴片、馈线以及接地面上蚀刻不同形状的槽或者在馈线及贴片附近添加导体结构[2-11]等方法来抑制其干扰。例如：文献[2]采用在基础天线背面附加双偏T寄生单元和在辐射贴片上开窗的联合方法；文献[3]把开口圆环和倒U形槽蚀刻在贴片及馈线上得到双陷波；文献[4]在贴片、馈线及接地板上加载哑铃型、U型缝隙和矩形缝隙；文献[5]通过在贴片上蚀刻对称的L型槽、圆环形槽以及在馈线旁放置一对C型支节；文献[6]在贴片和接地板分别加入U型、L形缝隙并引入寄生条带，从而获得3个陷波；文献[7]在贴片上蚀刻4个U型槽和在接地板上挖掉一个L型结构；文献[8]采用多个互补开环谐振器；文献[9]通过放置一对 L 形槽、互补的同向开环谐振器和C 形槽；文献[10]设计S-SCRLHs谐振器，实现4个陷波特性；文献[11]在贴片和缺陷接地板上共蚀刻了5个C型槽，获得5个陷波特性。以上文献中的方法均能在频带范围内得到良好的阻抗特性和辐射方向特性，但陷波个数较少，且部分天线不可通过略微修改结构尺寸来改变陷波频带以满足工程需求，因此应用到超宽带通信系统中时有一定的局限性。

为了弥补以上文献设计中的不足，本文特设计了一种具有五陷波特性的天线。本文所设计的天线采用秤砣型贴片作为辐射结构，接地板上挖掉两个对称L形结构，并在贴片上蚀刻两个不完全封闭的口字型槽以及在馈线两边加入两个类U形谐振器。仿真与实测结果表明，该天线引入了5个性能良好陷波，且陷波频带易于调谐。

1 天线设计和分析

文中所设计的超宽带陷波天线结构如图1所示。设计过程如下：首先，通过切割矩形贴片的两个角得到基本单极子天线，呈现出来犹如一个倒放着的秤砣。在贴片上蚀刻两个不封闭的长度不同的口字型槽，如图2(a)、(c)所示；其次，在接地板挖掉两个对称的L形缝隙，如图2(b)所示；最后，将两个类U形谐振器耦合在馈线附近，如图2(d)、(e)所示，最终所设计的天线如图2(f)所示。由图3所示的仿真结果可知，第一个不封闭口字型槽不单独对天线产生陷波特性，在其他结构加入后，由于结构之间的互耦作用产生陷波特性，最终该天线实现了五陷波特性。

图1 天线的结构

图2 天线演化过程

(a)天线1～5的S11曲线

当将所嵌入的不封闭口字形槽的总长度大约为其所在陷波频段中心频率波导波长的二分之一且不封闭口字型槽的宽度选择恰当时，在该频率点及其两端出现输入阻抗异常现象，阻抗失配天线在该频段内产生较大的反射系数，从而获得陷波特性[12]。用公式可表示为

(1)

式中:Ld为理论计算槽和谐振器的长度， c表示光速，fnotch表示陷波频段对应的中心频率，εr表示介质板的相对介电常数。此外,调整馈线两端的类U型谐振器和接地板上L形缝隙的长度、宽度也会分别在相应频段产生陷波特性。天线基板使用Rogers 5880，基板厚度为0.8 mm，介电常数为2.2，损耗角正切为0.000 9。天线的设计和优化均在HFSS15.0 平台上进行，其参数值见表1。

表1 天线优化参数

2 陷波特性分析

2.1 参数讨论

图4是不同长度的两个不封闭口字型槽、L形槽及类U形谐振器的反射系数S11曲线仿真图，可以看出通过调节参数L6、La、L9、W5、W3的值可改变其对应陷波的中心频率，并且在保持陷波特性的同时，其对周围陷波的性能影响较小。

图4 天线S11随L6、La、L9、W5、W3变化的仿真曲线

2.2 表面电流分布

对天线的表面电流进行仿真分析可进一步解析陷波原理，结果如图5所示。由图5可知，第一个陷波中心频率3.85 GHz处的表面电流主要集中在辐射贴片上外环的不封闭口字型槽的开口处，第二个陷波中心频率4.7 GHz处的表面电流主要分布在接地板的L形槽拐弯处，第三个陷波中心频率5.7 GHz处的表面电流分布在辐射贴片上内环的不封闭口字形槽附近，第四、五个陷波中心频率6.85 GHz、8.3 GHz处的表面电流集中在馈线两旁的类U形谐振器附近。天线在这5个频率点附近产生较大的衰减和阻抗失配，形成陷波。

图5 不同频率下的表面电流

3 天线实测结果与性能分析

为验证本设计的性能指标，对该天线进行了实物加工，如图6所示。

图6 天线实物图

天线的反射系数是反应天线工作性能的重要参数。由图7中的S11实测与仿真曲线可得天线的带宽为3.01～12 GHz，通带内S11<-10 dB,有5个明显的陷频段。由于天线存在工艺尺寸误差和测量损耗，实测和仿真的结果有微小出入，但整体上基本吻合。

图7 仿真和实测S11曲线

图8为3.95 GHz、5.1 GHz和7.8 GHz三个频率点的天线辐射H面、E面方向图，可以看到，在以上频率点H面为圆形，E面基本为类“8”形，故可以看出在整个工作频带中天线具有近似的全向性以及较好的定向性。

(a)3.95 GHz

图9为天线增益的仿真与实测对比，由图可知天线在2～9 GHz通带内增益稳定在-1～4 dBi，在陷波处的增益急剧下降,分别下降到-3 dBi、-2.5 dBi、0.5 dBi、-10.5 dBi和-5.5 dBi左右，但在整个通带频段内除8.3 GHz频点处实测增益与仿真增益吻合较好以外，其余处的增益均有出入，此现象产生的原因有以下两个：一是两个互相嵌套的不封闭口字型槽相离太近，且内槽的宽度过窄，槽长度过长，导致第三个陷波处增益没有下降到理想值；二是两个类U型谐振器离馈线过近，距离仅为0.2 mm，导致第四个陷波处的增益发生偏移及6.85～7.8 GHz、8.5～12 GHz两个频段的增益不理想。针对这两个问题有两个解决办法：一是减小不封闭口字型内环槽的长度，使其远离外环槽，从而减少互耦抑制作用的影响；二是调整类U型谐振器的尺寸，同时增大类U型谐振器与馈线的距离，或者将类U型谐振器的形状改变成方形螺旋状谐振器，方形螺旋谐振器的尺寸与类U型谐振器的尺寸近似，这样不仅可以减少谐振器与馈线平行部分的尺寸，消除高频部分存在的高次模对增益的影响，还不改变陷波个数。

图9 仿真与实测增益图

天线辐射效率是表征天线是否能稳定工作的重要因素，由于实验条件限制，本文只对天线的效率进行了仿真。如图10所示，除陷波频段外，在工作带宽3.01～12 GHz中天线的效率达到88%，说明天线的增益稳定。

图10 天线辐射效率

本文天线与其他文献天线在频率范围、陷波个数及陷波带宽度方面的对比如表2所示，可见本文设计的陷波天线具有良好的应用前景。

表2 本文天线与文献中天线的对比

4 结 论

本文设计了一种尺寸为36 mm×32 mm×0.8 mm的五陷波超宽带天线,将两个不封闭口字型槽蚀刻秤砣形辐射结构上，接地板挖一对对称的L形槽，并在馈线旁放置两个类U形谐振器。实现的5个陷波频段分别为WiMAX(3.73～3.89 GHz)、C频段卫星通信系统(4.25～4.9GHz)、无线局域网通信频段(5.51～5.83 GHz)、INSAT频段(6.77～7.32 GHz)和ITU 8 GHz频段(8.13～8.38 GHz)。总体而言，该天线在通带内实现了五陷波且工作性能良好，适用于五陷波的超宽带通信系统。