胡 偉， 張建華， 馬 亮

（1.電子工程學(xué)院信息工程系，安徽合肥 230037；2.61251部隊(duì)，河北秦皇島 066102）

自從2002年美國(guó)通信委員會(huì)（US－FCC）將3.1～10.6 GHz的頻帶劃為超寬帶（UWB）商業(yè)用途后，超寬帶系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越具有吸引力，許多新涌現(xiàn)出的超短波通信系統(tǒng)都工作在此頻段內(nèi)［1］。采用超寬帶通信相對(duì)于現(xiàn)有的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以，設(shè)計(jì)出在收發(fā)設(shè)備之間接受和傳送信號(hào)，滿足通信要求的超寬帶天線已成必然趨勢(shì)。

寬帶平面單極天線由于其寬阻抗帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及良好的輻射特性［2］引起了不少研究人員的關(guān)注，但是隨著集成電路的快速發(fā)展，此類天線由于其較大的金屬底板，不能適應(yīng)通信系統(tǒng)的小型化要求。為了減小尺寸，一系列的采用微帶線或共面波導(dǎo)饋電的平面單極天線應(yīng)運(yùn)而生［3－6］。

由于電磁信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)對(duì)其他通信設(shè)備產(chǎn)生干擾，所以在室內(nèi)短程通信的超寬帶天線就要防止干擾別的設(shè)備或被別的設(shè)備干擾，其中一個(gè)要避免的就是無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN，工作頻率在5.0～6.0 GHz范圍內(nèi)），因此產(chǎn)生了具有陷波功能的超寬帶天線［7－8］。當(dāng)前有許多種產(chǎn)生陷波的方法，最常見(jiàn)的是在貼片上刻縫，如U形縫［9］、弧形縫［10］、一字形縫［11］等。另一種方法是先在貼片上刻一個(gè)大縫，然后在里面植入一個(gè)小貼片以達(dá)到在要求的頻段LC諧振的效果［12］。還有一種方法是在貼片或底板附近放置寄生金屬貼片以實(shí)現(xiàn)在特定頻段內(nèi)具有濾波的功能［13］。

本文提出了一種利用微帶線饋電的超寬帶陷波天線，首先將矩形貼片改進(jìn)成超寬帶天線，然后采用了一種新的陷波技術(shù)，通過(guò)在貼片上刻“T”形縫以達(dá)到在5.0～6.0 GHz實(shí)現(xiàn)陷波的效果。該天線具有35 mm×35 mm×1 mm的小尺寸，同時(shí)覆蓋整個(gè)3.1～10.6 GHz頻段，具有良好的阻抗特性和輻射特性，實(shí)現(xiàn)了天線小型化的目標(biāo)。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為本文所提出的具有陷波特性的微帶線饋電的超寬帶天線幾何模型。

圖1 天線的幾何模型

該天線刻制在聚四氟乙烯基板上，基板的尺寸為W×L×h＝35 mm×35 mm×1 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr＝4.4，損耗正切tanδ＝0.02。該天線包括1個(gè)開(kāi)凹形槽的底板、1個(gè)由矩形改進(jìn)而來(lái)的多邊形貼片，以及為了達(dá)到陷波效果而刻的“T”形縫。為了使微帶線特性阻抗達(dá)到與50Ω匹配，其寬度設(shè)定為t＝2 mm。通過(guò)用Ansoft HFSS軟件仿真及優(yōu)化，確定了天線比較優(yōu)良的尺寸，a＝6 mm，b＝1 mm，LS＝2 mm，WS＝9 mm，Lg＝18 mm；微帶線長(zhǎng)度Lf＝16.5 mm，Ln＝Wn＝4.5 mm；縫隙寬度W0＝0.4 mm。同時(shí)按照上述尺寸將天線在Prot S62型電路板雕刻機(jī)上制作成實(shí)物，如圖2所示，左右兩副天線分別為無(wú)陷波功能的超寬帶天線和具有陷波功能的超寬帶天線。

將其在Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測(cè)量的結(jié)果與仿真結(jié)果作了比較，如圖3所示，由于機(jī)器刀具的的雕刻深度控制、SMA饋電頭的焊接等因素的影響，再加上貼片和底板會(huì)受到不同程度的氧化，測(cè)量曲線與仿真結(jié)果存在一定誤差，但達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 天線的實(shí)物加工圖

圖3 天線的性能測(cè)量

2 天線特性分析

在天線的設(shè)計(jì)中，貼片和底板的形狀與尺寸對(duì)天線性能的影響是比較明顯的，本文就是先將矩形貼片設(shè)計(jì)成一個(gè)多邊形結(jié)構(gòu)，改善其低頻特性，再將矩形底板設(shè)計(jì)成一個(gè)具有凹形槽的結(jié)構(gòu)，提高其高頻特性從而改善了天線的寬帶特性，使其具有超寬帶性能，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 貼片與底板對(duì)天線性能的影響

對(duì)于天線的陷波特性，其LC諧振的中心頻率和頻帶寬度由貼片上縫隙的長(zhǎng)度和寬度決定。首先在Ln＝Mn的情況下改變Ln＋Mn的長(zhǎng)度，可以得到不同陷波頻段，如圖5a所示。

圖5b所示為不同Ln、Mn對(duì)應(yīng)的S11曲線，可以看出在確定陷波頻段對(duì)應(yīng)的縫隙長(zhǎng)度后，若Ln與Mn之間的差值小于1 mm，是不會(huì)影響天線陷波功能的。所以，將縫隙對(duì)折后，既保證了要求的陷波頻段，又防止了縫隙的長(zhǎng)度超過(guò)貼片的尺寸，對(duì)于天線在低頻段設(shè)計(jì)陷波具有一定意義。

圖5 縫隙長(zhǎng)度對(duì)陷波頻段的影響

圖6所示為縫隙寬度W0分別取0.1、0.4、0.9 mm時(shí)天線的陷波特性。由圖6中可以看出隨著縫隙寬度的增加，天線陷波的幅值和中心頻率都受到其影響，而產(chǎn)生陷波的頻帶寬度逐漸增大。

圖6 縫隙寬度對(duì)陷波寬度的影響

縫隙長(zhǎng)度與陷波頻段的關(guān)系，見(jiàn)表1所列。從表1中可以看出陷波的中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與縫隙長(zhǎng)度的關(guān)系，可由（1）式表示：

其中，c為真空中的光速；fnotch為陷波頻段的中心頻率；εe為介質(zhì)的有效介電常數(shù)，采用（2）式計(jì)算［14］：

其中，εr為相對(duì)介電常數(shù)；Wt為貼片寬度；h為介質(zhì)厚度。

表1 縫隙長(zhǎng)度與陷波頻段的關(guān)系

圖7所示為該天線在可工作頻段4.8、7.0 GHz時(shí)E面（XOY面）和H面（YOZ面）的歸一化方向圖，由圖7可知，在H面該天線有著全向輻射的特性，與單極子的輻射特性相似。

圖7 天線輻射方向圖

圖8所示為天線在3～11 GHz頻段內(nèi)的工作效率，可以看出，該天線在5～6 GHz的工作效率有明顯的下陷，而其他頻段的工作效率是比較高的，在0.9～1.0之間。

圖8 天線工作效率圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)刻制“T”形縫設(shè)計(jì)出一種新型的超寬帶陷波天線，討論了縫隙的寬度和長(zhǎng)度對(duì)陷波性能的影響，并制作出了實(shí)物。仿真和測(cè)量結(jié)果表明該天線達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，在WLAN內(nèi)實(shí)現(xiàn)了帶阻功能，為室內(nèi)超寬帶無(wú)線短程通信提供了可能。

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