一种小型化四陷波超宽带天线设计与研究

南敬昌 王艺扉 高明明 卢永

（辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，葫芦岛 125105）

引 言

近年来，无线通信技术随着人们工作生活的需求日益发展更新，终端设备小型化、低成本、高效率的发展趋势也逐渐凸显，使得天线必将朝着小型化和宽带化的目标迈进. 美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)于1934年作为美国政府的独立机构而建立，其在2002年将3.1～10.6 GHz波段划分到民用通信领域后[1]，超宽带(ultra wideband, UWB)通信技术成为了学术界和无线通信领域的重点研究对象. UWB天线能够在定位、军用雷达、短距离通信等时域系统和所划定的工作波段内充分实现良好的全向辐射特性，而且设计制作方便、功率损耗低、辐射效率高[2].

然而很多窄带通信波段会强烈干扰UWB系统的正常工作，因为这些波段就包括在UWB系统的工作带宽内，诸如WiMAX(3.3～3.6 GHz)、国际卫星波段(4.5～4.8 GHz)、X波段(7.25～7.75 GHz)、国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)波段(8.01～8.5 GHz)[3]等. Schantz H G等最早提出了具有陷波特性UWB天线的概念[4]，只需以改变天线结构的方式来影响天线上电流的分布，此时天线相当于增加了一个带阻滤波器，从而更好地实现频带抑制功能，极大程度上降低了整个系统的体积和设计的复杂程度. 目前解决天线过滤窄带信号问题最为简单的方法即是用具有陷波特性的UWB天线[5].在UWB天线设计中，实现天线的陷波特性主要采用开槽法[6]、添加枝节法[7]和寄生单元法[8]等. 其优点很多，如结构简单，非常便于设计；对工作波段内阻抗匹配影响较小，保证天线在工作波段内能够正常工作；而且原天线的尺寸也不会增加，很大程度上满足了天线的小型化设计要求[9].

现今设计陷波天线的文献也有很多，不过大部分都是双陷波或者三陷波特性的，实现四陷波及以上特性的文献很少[10]，主要原因是UWB天线以小型化为主要特点，基板的尺寸有限，陷波结构不易加入太多[11]；其次是不同的陷波结构之间存在互耦作用，调整实现多波段陷波时难度非常大. 文献[12]中天线实现了3.1～11 GHz波段的UWB特性，该天线的双陷波特性是通过在贴片上开四个L形槽的方法而获得的，结构简单且适用于UWB系统. 文献[13]中天线以圆形单极子天线为基础，在贴片中心引入四个圆形贴片并在地板上加载两个互耦环缝谐振器(complementary split-ring resonators, CSRR)，抑制了WiMAX波段、C波段、INSAT波段和WLAN波段的干扰，实现了完好的双频陷波功能. 文献[14]中天线采用锥形馈线源产生良好的UWB特性，通过开外环槽和内环槽的方法抑制了WLAN波段和X波段的干扰，性能稳定且辐射特性良好. 以上天线性能良好，设计结构也比较简单，不过这些天线产生的阻带比较少，只能滤除不超过三种波段的窄带信号，天线的尺寸较大且满足的UWB工作频率范围较小.

本文提出了一款具有四陷波特性的小型化UWB天线，尺寸仅为31 mm×18 mm×1 mm，在辐射贴片半圆形凹槽上方加入T形枝节，辐射贴片中心开倒U形槽，微带馈线附近加入对称C形枝节以及微带馈线上刻蚀U形窄缝隙，可以实现四个波段的陷波特性. 对接地板进行改进，两侧切角并在中间开五阶鱼骨形凹槽，使其改善有限矩形接地板在高频处的阻抗匹配特性，进一步扩展天线带宽.

1 天线设计

1.1 UWB天线结构设计

本文提出的具有四陷波特性的小型化UWB天线结构如图1所示，天线总体尺寸为31 mm×18 mm×1 mm，选用的介质基板其相对介电常数为4.4，等级材料为FR4. 通过长Lf和宽Wf的50 Ω微带线进行馈电，并两侧设置切角部. 辐射贴片采用挖半圆形凹槽的矩形辐射贴片，背板采用开鱼骨形凹槽的截短矩形接地板.

图2为UWB天线辐射贴片的演变过程结构图.

图1 UWB天线结构图Fig. 1 Structure diagram of the UWB antenna

图2 辐射贴片演变过程结构图Fig. 2 Structure of radiation patch evolution process

1.2 陷波结构设计

为解决本文所设计的天线在UWB波段内与其他窄带通信系统之间的相互干扰冲突问题，本文在图2(d)基础上，通过改进接地板结构并加入不同的陷波结构，实现良好的UWB特性和四陷波特性，正面结构如图3所示：在半圆形凹槽上引入一个T形枝节结构，产生一个陷波波段，有效抑制WiMAX波段；在辐射贴片中心位置开一个倒U形槽，产生第二个陷波，有效抑制国际卫星波段；在馈线两侧引入对称C形谐振枝节结构，通过调整C形枝节，产生第三个陷波波段，有效抑制X波段；在微带馈线上刻蚀U形窄缝隙，产生第四个陷波波段，有效抑制ITU波段. 天线的陷波结构对应长度为[14]

式中：fnotch为陷波中心频率；c为光速；εr为介质基板的相对介电常数. T形枝节、倒U形槽、对称C形枝节和U形窄缝隙的总长度L1、L2、L3和L4分别为：

图3 陷波UWB天线结构图Fig. 3 Structural diagram of the notch UWB antenna

表1为该小型化四陷波UWB天线的最优尺寸.

表1 UWB天线最优尺寸Tab. 1 The size of the UWB antenna mm

2 实验结果分析

2.1 背板结构对天线性能的影响

在未加入陷波结构前，确保其他结构不变的情况下，背板结构的改变极大程度上影响着天线的谐振特性和阻抗匹配特性. 图4为该天线背板结构的四个设计步骤：(a)为未改进矩形接地板，(b)为仅切除边角的接地板，(c)为边角中部开了矩形槽的接地板，(d) 为鱼骨形凹槽.

图4 UWB天线背板结构接地板变化过程Fig. 4 Structure change process of the UWB antenna backplane

图5为四种不同结构接地板天线的回波损耗特性S11仿真结果. 可以看出，采用未改进矩形接地板的原始天 线，在8.2～9.7 GHz和10.6～11 GHz的S11大于−10 dB. 在天线正面辐射贴片确定的情况下，接地板仅切除边角，天线在8.8 GHz左右的S11高于−10 dB. 接地板边角中部开了矩形槽，天线在8.2～9.55 GHz的S11大于−10 dB. 本文采用的鱼骨形凹槽接地板结构天线的S11进一步降低，在3.6～12.7 GHz整个波段内的S11明显小于−10 dB，说明该结构可以有效改善原矩形接地板在高频处的阻抗匹配特性，使天线满足UWB天线设计需求.

图5 不同结构接地板天线的S11仿真结果Fig. 5 Simulated S11 of antenna for different ground

本文在接地板处做了详细研究与仿真测试，针对接地板特殊形状的鱼骨形凹槽，做了不同阶数的仿真测试，图6所示为一阶到六阶的天线S11仿真结果. 可以看出：随着阶数变高，天线的阻抗匹配特性逐渐变好，到达五阶时效果最好；当鱼骨阶数超过五阶时，天线带宽特性变差，部分波段S11大于−10 dB.主要是因为当其他参数固定时，增大鱼骨阶数相当于延长开槽长度，变相改变电流分布情况，会对天线阻抗匹配特性产生影响，必然存在一个固定高度使天线实现50 Ω阻抗匹配，当高度越靠近这个固定值时，天线的阻抗匹配特性越好；当高度远离这个固定值时，天线的阻抗匹配特性就会变差. 为了能够得到更好的UWB特性，本文选择五阶鱼骨.

图6 不同阶数鱼骨结构的S11Fig. 6 Different order fishbone structure of S11

从图6中S11的五阶鱼骨图像可以看出，工作带宽3.6～12.7 GHz通频带内S11均小于−10 dB，谐振点较多且图像光滑，获得了非常好的UWB特性.

2.2 陷波结构参数影响

为避免窄带通信系统干扰问题，在UWB天线结构中引入T形枝节结构和对称C形枝节结构、开倒U形槽和刻蚀U形窄缝隙来产生陷波特性. 图7为不同T形枝节横向长度Wa对应的回波损耗特性S11仿真曲线，根据仿真效果图，最终把天线Wa取为12.5～13.5 mm，步长设置为0.1 mm. 可以看出：当Wa从12.5 mm增大到13.5 mm时，陷波中心略向低频处偏；Wa=13 mm时在陷波波段处陷波范围覆盖整个波段且中心频率处S11值大于−5 dB，峰值效果最好且带宽较大.

图7 不同T形枝节横向长度Wa对应的S11Fig. 7 S11 corresponding to Wa at different lengths of T-shape branches

图8为不同倒U形槽长度Le对应的S11仿真曲线. 可以看出：当Le从6.5 mm增大到7.5 mm时，中心频率向低频处移动，而3.3～3.6 GHz波段的陷波未发生改变；当Le=7 mm时陷波波段覆盖整个国际卫星波段，效果为最佳.

图8 不同倒U形槽长度Le对应的S11Fig. 8 S11 corresponding to Le at different lengths of inverted U-shape groove

图9 引入不同陷波结构的S11Fig. 9 S11 with different notch structures

为验证各个陷波结构之间的相互独立性，图9给出了该UWB天线在未引入陷波结构到分别引入不同数量陷波结构时对应的S11仿真曲线. 可以看出，四个陷波结构之间的略微干扰是由于互耦作用产生的，实际都相互独立，天线带宽也扩展到3～13.09 GHz.输入阻抗是与馈线相连接的天线输入端口的阻抗，图10为天线输入阻抗的仿真结果. 可以看出，在3.45 GHz、4.65 GHz、7.5 GHz和8.25 GHz左右输入阻抗的实部远大于50 Ω，阻抗虚部也大于0 Ω，天线在该波段发生并联谐振，呈现开路状态.

图10 输入阻抗仿真结果Fig. 10 The simulation result of input impedance

图11所示为四陷波UWB天线等效电路，其中的谐振枝节1、谐振枝节2、谐振枝节3和谐振枝节4实际上等效于该天线所引入的陷波结构T形枝节、倒U形槽、对称C形枝节和U形窄缝隙，这四个谐振枝节就相当于电路中的四个LC并联谐振电路. 其串联在电路中且谐振频率分别为3.45 GHz、4.65 GHz、7.5 GHz和8.25 GHz. 由于电路呈现开路状态，天线无法正常接收信号，从而可以有效避免这四个窄带通信系统的干扰.

图11 四陷波UWB天线等效电路Fig. 11 Equivalent circuit of four notch UWB antenna

2.3 天线陷波原理分析

为理解天线陷波原理，进一步对其进行分析，确定T形枝节、倒U形槽、对称C形枝节以及U形窄缝隙与对应陷波波段的关系，对天线表面电流进行仿真，图12为四个陷波中心频率处天线表面电流分布情况. 可以看出：3.45 GHz处的电流主要聚集在T形枝节上；4.65 GHz处的电流主要聚集在倒U形槽上；7.5 GHz处电流主要聚集在对称C形枝节上；8.25 GHz处电流主要聚集在U形窄缝隙处. 由于能量在以上四处汇集而无法向外辐射，因此产生陷波.

图12 四个陷波中心频率处天线表面电流分布Fig. 12 The current distribution at center frequency on the four-notch antenna surface

3 实测结果分析

图13所示为天线实物图，经过仿真优化确定天线的最优参数并制作实物在厚度为1 mm、相对介电常数为4.4的FR4基板上.

图14为天线仿真与实测的S11对比图，由于制作工艺等原因，仿真与实测存在一定误差. 美国FCC在2002年定义的超宽带民用范围是3.1～10.6 GHz，从图14看出，除陷波波段外，在3.1～10.6 GHz，天线S11均小于−10 dB，因此满足UWB波段要求，并在3.24～3.8 GHz、4.5～4.97 GHz、7.24～7.76 GHz以及8～8.54 GHz四个波段具有较好的陷波特性.

图13 天线实物图Fig. 13 The prototype of the antenna

图14 天线仿真与实测S11Fig. 14 The simulation and meansurement comparison of S11

UWB天线在实际应用中，可塑性很强，不仅具有可通过开槽或添加枝节等方法来实现的陷波特性，还有全向的辐射特性，保证在通带范围内能够正常工作且收发信号良好. 图15为天线在通带内任意三点的方向图. 可以看出：小型化四陷波UWB天线在3 GHz、6.5 GHz及10 GHz三个频点处的E面(YOZ面)仿真方向图呈现“8”字形且为定向辐射，测试图虽然有略微畸变，但仍呈现定向辐射特性；H面(XOZ面)仿真方向图在3 GHz、6.5 GHz及10 GHz处呈现圆形且为全向辐射，测试图也出现略微畸变，辐射强度也有所收缩，但仍具有全向辐射特性，符合UWB系统的工作要求.

图16是天线的峰值增益仿真与实测图，可以看出，天线峰值增益稳定在3～5 dBi，四个陷波波段的增益则下降至−5 dBi、−3 dBi、−2 dBi和−3 dBi附近.说明天线在通频带内的峰值增益比较稳定，能够正常工作，且天线在陷波波段里的增益明显下降，有效地抑制了窄带通信波段的干扰和影响.

图15 三个不同频点处的天线方向图Fig. 15 Antenna patterns at 3 different frequencies

图16 天线峰值增益实测图Fig. 16 Measured peak gain of the antenna

图17所示为天线的辐射效率，除陷波波段外，天线效率达到85%. 说明天线在通带内增益稳定，陷波波段内增益下降，有效抑制了窄带通信波段的干扰.

表2为本文小型化四陷波UWB与各参考文献中天线参数设计及实现的效果对比. 从表2可以看出，本文所设计天线的绝对带宽可以达到10.09 GHz，且相对于文献[9-11]，尺寸减小、结构简单且易于制作，仅采用添加T形枝节和对称C形枝节结构、刻蚀倒U形槽和U形窄缝隙就产生了四个波段的陷波特性.

图17 天线辐射效率Fig. 17 Antenna radiation efficiency

表2 本文与参考文献中天线性能对比Tab. 2 Comparison of antenna performance among references and this paper

4 结 论

本文提出了一款小型化四陷波特性的UWB天线，通过添加枝节和开槽的方法来抑制WiMAX波段、国际卫星波段、X波段和ITU波段四种窄带通信系统对UWB系统的干扰. 本文着重研究了不同形状接地板结构，背板开鱼骨形凹槽的阶数对天线带宽的影响，以及在天线结构上添加T形枝节和对称C形枝节长度、开倒U形槽和刻蚀U形窄缝隙长度对陷波结构的影响. 最终将天线加工成实物进行测试，仿真与实测结果基本吻合，证明除陷波波段外该天线具有良好的辐射特性和稳定增益，性能良好，能广泛应用到实际的UWB系统中.