一种紧凑型电磁带隙结构双陷波超宽带天线设计

时晶晶，姚佰栋，吴先良，宋 扬，涂健民

（1.安徽博微长安电子有限公司目标探测与特征提取安徽省重点实验室，安徽六安 237010；2.合肥师范学院电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，安徽合肥 230601；3.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；4.安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥 230601）

0 引 言

随着无线通信系统的发展，高数据速率和大信道容量成为近年来研究的热点。超宽带（UWB）天线技术因其数字传输速度高、带宽广、成本低等特性倍受重视，已应用于无线通信技术领域［1］。但一些窄带信号，如WiMAX、WLAN 和X-Band 上行卫星通信频带，会在超宽带中产生干扰。因此，具有陷波功能的天线设计是超宽带系统工程应用中需要考虑的重要部分。

EBG 结构在一定频率范围内具有带隙特性，被广泛应用在超宽带天线的多频段陷波技术中。1999年，Sievenpiper提出了蘑菇型EBG结构［2］。后来为了实现小型化设计，Mcvay 希尔伯特曲线型EBG［3］、Park 双层堆叠EBG［4］、Kim 平面方形螺旋EBG［5］等多种结构相继出现。

论文基于单SCSR-EBG 结构设计一款具有双陷波特性的超宽带单极子微带天线。将开口谐振环结构与传统EBG 相结合，利用两个并联LC 谐振电路实现了双频段陷波，该结构紧凑且易于工程实现。仿真和实物测试结果证明该天线可以有效抑制WiMAX（IEEE 802.16 3.30～3.80 GHz）和WLAN（IEEE 802.11a 5.15～5.35 GHz）两个频段的干扰，具备良好的陷波抑制特性，可应用于超宽带通信系统。

1 SCSR-EBG结构设计

文献［6］研究了图1（a）所示中央过孔电磁带隙（Central Located via Electromagnetic Bandgap，CLV-EBG）结构的谐振频率特性，当EBG 尺寸与谐振波长可相比拟时，等效为LC 谐振电路，如图1（b）所示，在特定的频带具有带阻滤波器特性，实现单陷波。等效电感、电容如式（1）、（2）所示［7］:

图1 CLV-EBG结构与等效电路图

式中μ0，w，g，εr，ε0分别是真空磁导率、EBG贴片宽度、EBG 单元间隙、相对介电常数和真空介电常数。而EBG 结构的表面阻抗（Zs）、阻带中心频率（fc）和阻带带宽（BW）为［1］

CLV-EBG 在εr=3.66,tanδ=0.04,h=1.524 mm的介质基板上陷波特性随w变化曲线如图2 所示，其中r=0.1 mm，s=0.1 mm。图2 表明随着w增大，陷波频率减小。

图2 贴片宽度w对CLV-EBG陷波频率的影响

EBG 结构图如图3所示。为实现双陷波特性，在CLV-EBG 结构基础上加载容性开口谐振环（Split Resonant Ring，SRR），设计一种方型开口谐振环电磁带隙（Square Split-Ring Resonator Electromagnetic Bandgap,SSRR-EBG）结构，如图3（b）所示。该结构的谐振频率为

图3 EBG结构图

式中LSRR为SRR 结构总长，εeff为有效介电常数。SRR 和微带馈线实际上相当于一个带阻滤波器，利用该结构可以实现对WLAN频段的陷波。

图4所示为w=6.7 mm，s=0.1 mm，r=0.1 mm，εr=3.66，tanδ=0.04，h=1.524 mm 时，谐振环的开口尺寸p对第二陷波频率影响，由图可见随着p增大第二陷波频率增大。

图4 p对SSRR-EBG第二陷波频率的影响

为得到更好的陷波特性，设计一种基于半圆开口环结构的电磁带隙结构（SCSR-EBG），如图3（c）所示。图5给出当圆环半径固定的情况下，陷波频率随开口尺寸g的变化特性曲线。从图6 可以看出，在3.5 GHz 和5.2 GHz 两个陷波频率处，SCSREBG结构的回波损耗均大于15 dB，陷波性能更好。

图5 g对SCSR-EBG第二陷波频率的影响

图6 SCSR-EBG和SSRR-EBG陷波特性对比

2 单SCSR-EBG结构双陷波超宽带天线设计

超宽带天线贴片采用杯型结构，如图7（a）所示，称为天线1。图7（b）是天线在εr=3.66，tanδ=0.04，h=1.524 mm 介质基板上驻波比（VSWR）的仿真结果，结果表明，在整个超宽带频段VSWR＜2，天线阻抗匹配良好。

图7 杯型超宽带单极子微带天线（天线1）

将SCSR-EBG 结构应用在天线1 中，结构如图8（a）所示，称为天线2。其中W=10.6 mm，s=0.1 mm，r=0.1 mm，g=1 mm。VSWR 仿真结果如图8（b）所示，实现了对WiMAX和WLAN频段的陷波。

图8 SCSR-EBG双陷波天线（天线2）

当天线2 工作在WiMAX 频段时，电流主要集中在SCSR-EBG 结构的金属过孔处，如图9（a）所示，通过金属过孔将电流引到接地板，实现天线对该频段的陷波；当天线2 工作在WLAN 频段时，电流主要分布在开口谐振环上，如图9（b）所示，开口谐振环产生反向电场阻碍信号向辐射贴片传输，实现其陷波特性。

图9 不同频率SCSR-EBG电流分布

3 实物测试

利用Agilent PNA-X 对天线2 驻波特性进行测试，从图10（a）实测VSWR 曲线可以看出，天线2在3.47～4.15 GHz 和4.78～5.59 GHz 处，VSWR＞12。证明SCSR-EBG 结构对WiMAX 和WLAN 双频段陷波的可行性。天线辐射特性测量系统如图10（b）所示。

图10 天线2测试

图11 为在工作频率4 GHz 和6 GHz 时天线1、天线2 方向图仿真和天线2 测试结果，通过E 面和H 面方向图可以观察到天线基本具有全向辐射特性，并且证明了SCSR-EBG 结构对天线辐射性能影响较小。

图11 天线1、2仿真和天线2测试方向图

论文对具有陷波特性的天线相关文献进行了检索，表1所示为其他EBG结构双陷波天线与论文设计天线的性能比较。本文使用单个EBG 结构实现了超宽带天线的双陷波，并且达到良好的陷波特性。与文献［11］中采用开缝式EBG 实现WiMAX 和WLAN 双频段陷波相比，电性能相当，但本文提出的SCSR-EBG 结构更加紧凑，大小仅为0.13λc1*0.065λc1。

表1 各文献EBG天线双陷波特性对比

4 结束语

论文设计了一种基于SCSR-EBG 结构的新型双陷波超宽带单极子微带天线。此天线利用单个大小为0.13λc1*0.065λc1的SCSR-EBG 结构实现了对WiMAX 和WLAN 频段的抑制，该结构具有简单易集成、陷波特性明显、对带内辐射性能影响小等优点，在紧凑型双陷波超宽带系统设计中具有应用潜力。