一种超宽带单陷波天线

2021-12-29李顺利岳宗平侯守坡

设备管理与维修 2021年21期

李顺利，岳宗平，侯守坡

（河南机电职业学院，河南郑州 451191）

0 引言

美国联邦通讯委员会（Federal Communications Commission，FCC）规范了带宽为3.1～10.6 GHz 的频带作为超宽带（Ultra-Wide Band，UWB）通信的频带，超宽带平面天线在无线通信、导航、雷达、军事、探测和科学研究中得到了广泛的应用。超宽带通信技术具有低功耗、高带宽、高传输速率、低复杂性、抗多径能力强、发射信号功率谱密度低、安全性高等优点，在军事通信、民用数字家电和消费网络设备等领域中得到越来越多的重视。有专利提出过一种基于左手材料的超宽带限波滤波器，该专利结构紧凑、尺寸较小，能在一定范围内起到一定的滤波作用，但是基于左手材料的滤波器整体结构复杂、不易加工，且滤波范围不够精确，而且由于超宽带频段内还存在着其他窄带无线通信信号，如X 上波段（7.25～7.75 GHz），因此为了避免窄带信号对超宽带天线产生电磁干扰，滤除超宽带波段中的窄带信号和拥有简化结构的装置是尤为必要的。

1 单陷波天线结构

为了解决天线产生的电磁干扰，滤除不需要的信号，本文提供一种超宽带单陷波天线。该结构包括基板在内，基板内设有同心的第一圆环和第二圆环、第一矩形，基板的另一面设有第二矩形，其中第一矩形与两个圆环在同一面上，第一圆环与第一矩形为一个整体；第二圆环在第一圆环内，第二圆环与第一圆环之间为开口凹槽；第二矩形与接地板垂直固定，开口凹槽开口部分的中心、第一圆环的圆心、第一矩形的中心在同一直线；第二矩形的缺口的中心在所述直线上，第一圆环、第二圆环、第一矩形、第二矩形表面覆铜（图1～图5）。图中，基板的长为L，宽为W；第一圆环的外径为R1、内径为R2；第二圆环的外径为R3，内径为r；第一凹槽的开口长度为d；第一矩形的边长为h 和d1，第一矩形的长为h 的一边到平行于基板一边的距离为d2；第二矩形的边长为L1和L；缺口的边长为W1和L2。开口凹槽具有阻带特性，利用其阻带特性，在超宽带天线上设置开口凹槽，可以使超宽带天线具有陷波功能，解决了滤除窄带信号对超宽带天线产生的电磁干扰的滤除范围不高的问题，并简化了滤除装置结构（图6～图9）。

图1 正面示意

图2 底座示意

图3 空间示意

图4 立体示意

图5 整体示意

图6 陷波天线的回波损耗S11 曲线

图7 3.23 GHz 频率点远场辐射

图8 8.18 GHz 频率点远场辐射

图9 7.46 GHz 频率点的天线远场辐射

2 单陷波天线工艺

一种超宽带单陷波天线包括基板，在基板的一面设置有共同圆心的第一圆环和第二圆环，在基板上的第一矩形与两个圆环在同一面上；所述第二圆环在第一圆环内，第二圆环与第一圆环上开口凹槽的开口部分的中心、第一圆环的圆心、第一矩形的中心在同一直线上且所述开口凹槽的开口部分远离第一矩形，第一圆环与第一矩形为一个整体，第一矩形与接地板垂直固定，接地板与基板垂直；第二矩形设在基板的另一面，第二矩形也与接地板垂直固定，而且第二矩形设有缺口，缺口的中心在所述直线上；所述第一圆环、第二圆环、第一矩形、第二矩形表面覆铜。

缺口可以是矩形。第一矩形、第二矩形分别与接地板焊接固定。所述的基板为通过蚀刻双面覆铜的FR 微波介质的方法制作的基板。

如图1～图5 所示：一种超宽带单陷波天线，基板的一面设有共同圆心的第一圆环和第二圆环，在基板上还设有第一矩形、第一矩形内设有第二矩形，第一矩形与两个圆环在同一面上。第一二圆环之间的开口凹槽开口中心、第一圆环的圆心、第一矩形的中心在同一直线上且开口凹槽的开口部分远离第一矩形。开口凹槽的开口中心是指开口处的几何中心，即当开口凹槽为未封闭的环槽时，那么开口中心即为开口处圆弧的中心点；若开口凹槽在实施时为未封闭的矩形，那么开口中心即为开口处连接线的中心点。

第一圆环和矩形是一个整体，第一矩形与接地板垂直固定，接地板与基板垂直；第二矩形与接地板垂直固定，第二矩形上还有缺口，缺口的中心也在直线上，即缺口的几何中心、第一矩形的几何中心、开口凹槽中心三点共线。第一圆环、第二圆环、第一矩形、第二矩形表面覆铜，开口凹槽具有阻带特性，利用其阻带特性，在超宽带天线上设置开口凹槽，可以使超宽带天线具有陷波功能。

如图2、图4、图5 所示，缺口为矩形。为使第一矩形和第二矩形分别与接地板固定，其固定方式采用焊接。

如图1～图5 所示，天线的结构还能通过蚀刻双面覆铜的FR4 微波介质基板的方法制作，相比起在第一圆环、第二圆环、第一矩形、第二矩形表面覆铜而言，通过蚀刻双面覆铜的FR4微波介质基板的方法更容易制作天线。

其中天线通过第一矩形进行馈电，当天线通过接地板接收到高频电流信号时，信号经由基板的正反两面组成的天线结构变为无线电磁波辐射传输，把不需要的信号频段滤除，高频电流信号经由该超宽带陷波天线传输后把工作范围内的信号传输。超宽带陷波天线在3.37～7.10/7.70～10.53 GHz 频率段范围内性能良好；在7.10～7.70 GHz 频率段范围内性能较差，此段信号被滤除。此款天线既满足了超宽带天线对于3.10～10.6 GHz 宽频带的要求，又能成功滤除与超宽带重叠的其他波段。

优选实施的方法：制作出上述结构的天线，选取的基板材质的相对介电常数εr值为4.6、损耗角正切tanσ 值为0.017，双面覆铜后FR4 微波介质基板的总厚度为1.6 mm，符合本设计的材料要求。在初步设计出超宽带单陷波天线的基本结构之后，采用HFSS 软件对其进行仿真计算：陷波天线在3.37～7.10/7.70～10.53 GHz 频率段范围内S11＜-10 dB，在7.10～7.70 GHz 频率段范围内S11＞-10 dB，如图6 所示；即陷波天线在3.37～7.10/7.70～10.53 GHz 频率段范围内性能良好，在7.10～7.70 GHz 频率段范围内性能较差。此款天线既满足了超宽带天线对于3.10～10.6 GHz 宽频带的要求，又能成功滤除与超宽带重叠的其他波段。

验证本结构在非陷波处天线的辐射特性，现随机选取3.23 GHz、8.18 GHz 频率点的天线远场辐射，如图7、图8 所示。为验证在7.10～7.70 GHz 频率段范围内陷波天线的陷波特性，选取7.46 GHz 频率点的天线远场辐射，如图9 所示。由归一化辐射方向图可以看出，在非陷波处即当频率为3.23 GHz、8.18 GHz 时陷波天线的E 面方向图呈“8”字形结构，H 面方向图呈圆形结构，在整个频段内近似于等幅全向辐射，符合远区辐射特性；在陷波处即频率为7.46 GHz 时陷波天线辐射方向图严重失真，在E 面和H 面呈现不规则形状，发生严重畸变。即说明超宽带单陷波天线工作在超宽带范围内，且可滤除X波段窄带信号，有效避免了窄带信号对超宽带产生的影响。