胡帥江，王光明，張晨新，鄭 龍

(空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院，陜西 三原 713800)

責(zé)任編輯:時 雯

近年來，隨著無線通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，超寬帶(Ultra-wideband，UWB)天線以其具有傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)，使得它在雷達(dá)系統(tǒng)、通信領(lǐng)域、軍事等方面受到越來越多的關(guān)注［1］。超寬帶通信的頻段確定為3.1～10.6 GHz［2］，但隨著超寬帶通信頻段的重新劃分，原有的頻段與WIMAX增補(bǔ)頻段(基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn))、5 GHz頻段無線局域網(wǎng)(HiperLAN)重疊的頻帶將不能使用，從而產(chǎn)生了問題。

為了降低系統(tǒng)之間的相互干擾、提高頻譜利用率，可以在系統(tǒng)的天線端加入陷波結(jié)構(gòu)［3-8］。目前產(chǎn)生陷波特性的結(jié)構(gòu)有多種形式，例如在貼片上加載縫隙結(jié)構(gòu)或者在貼片上添加匹配枝節(jié)等，使超寬帶天線在相應(yīng)的頻段內(nèi)具有較大的反射系數(shù)、出現(xiàn)“陷波”(帶阻)特性而呈現(xiàn)收發(fā)“鈍態(tài)”。因此，具有陷波功能的小型平面超寬帶天線已經(jīng)成為近年來的一個熱門研究課題。本文設(shè)計(jì)了一個具有雙陷波特性的超寬帶平面單極子天線。該天線的輻射貼片與接地板結(jié)構(gòu)相似，通過在輻射貼片上加載U型槽以及在饋線一側(cè)加載新型陷波結(jié)構(gòu)分別在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz產(chǎn)生陷波。通過對加工好的天線進(jìn)行測試，驗(yàn)證陷波處天線的輻射效率和增益較低，形成帶阻，解決了UWB與WLAN，WiMAX之間相互干擾的問題。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的天線采用尺寸為24 mm×32 mm×0.508 mm、介電常數(shù)εr=2.2的羅杰斯5880作為介質(zhì)板材料。天線采用50Ω阻抗匹配微帶饋電，輻射貼片與接地板結(jié)構(gòu)相似，通過在輻射貼片上加載U型槽以及在饋線一側(cè)加載新型陷波結(jié)構(gòu)分別在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz產(chǎn)生陷波，其中U型縫隙長度近似為陷波處對應(yīng)波長的一半，實(shí)現(xiàn)了UWB與WIMAX頻段和WLAN頻段的電磁兼容，天線正面、背面以及寄生單元結(jié)構(gòu)如圖1a、圖1b、圖1c所示(其中深色部分為金屬)，用HFSS10對天線進(jìn)行仿真優(yōu)化得天線的尺寸參數(shù)見表1。

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸 mm

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

2 天線陷波原理

從天線電流密度分布方面對3.5 GHz頻段處以及5.5 GHz頻段處的陷波特性產(chǎn)生的原因進(jìn)行了詮釋，用HFSS軟件對天線加入縫隙結(jié)構(gòu)和寄生結(jié)構(gòu)前后的電流幅度分布進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。

圖2中，a圖為天線未加載縫隙時的電流分布，b圖為天線加載寄生單元等效結(jié)構(gòu)時在5.5 GHz頻率處的電流分布，c圖為天線加載縫隙及寄生單元結(jié)構(gòu)后在3.5 GHz頻率處的電流分布，d圖為天線加載縫隙及寄生單元結(jié)構(gòu)后在5.5 GHz頻率處的電流分布。比較4幅圖可以看出，天線未加載縫隙及寄生單元時表面電流主要分布在饋線以及貼片與地面邊緣處，天線能正常輻射;天線加載縫隙后表面電流主要集中在縫隙附近，天線不能正常輻射，即在3.5 GHz處于陷波狀態(tài);天線加載饋線旁邊的寄生單元后5.5 GHz處的表面電流主要集中于單元上，天線無法正常輻射，加載寄生單元等效結(jié)構(gòu)時也有類似的效果。

按照電路理論分析，加載縫隙相當(dāng)于引入電感和電容的并聯(lián)電路，從而在原有的匹配電路中增加了一個并聯(lián)諧振點(diǎn)，造成阻抗不匹配，形成較大的反射系數(shù)，加載寄生陷波單元原理上相當(dāng)于加載了對應(yīng)頻率的濾波器，從而實(shí)現(xiàn)陷波，其等效電路如圖3所示，濾波器的諧振頻率點(diǎn)F可由式(1)大致得出，其中L為電感，C為電容。天線加載縫隙及寄生單元結(jié)構(gòu)前后的阻抗變化如圖4所示，圖中，im(Z0)、im(Z0)分別表示天線加載陷波結(jié)構(gòu)前的電阻和電抗，im(Z1)、im(Z1)分別表示天線加載陷波結(jié)構(gòu)后的電阻和電抗。比較陷波結(jié)構(gòu)加入前后的阻抗曲線可得，天線加載陷波結(jié)構(gòu)后天線在陷波處明顯阻抗失配，這便是產(chǎn)生陷波的原因。

式中:c為自由空間中的光速;fb為陷波處的諧振頻率;εe為等效介電常數(shù)。

在圖1中，U型縫隙結(jié)構(gòu)對應(yīng)3.5 GHz陷波頻段，寄生結(jié)構(gòu)單元對應(yīng)5.5 GHz陷波頻段，兩結(jié)構(gòu)之間基本無影響。其中調(diào)節(jié)縫隙的長度可以調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)的位置，調(diào)節(jié)縫隙的寬度可以改變陷波頻段的寬度，縫隙越寬，陷波頻段越寬;而加載的寄生單元則比較難以調(diào)節(jié)，寄生單元的尺寸、位置以及其中金屬化過孔的尺寸和位置對陷波性能都有很大的影響，而且陷波結(jié)構(gòu)尺寸與陷波頻率的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系還不是十分明確，將于下一步進(jìn)行深入的理論研究。諧振點(diǎn)引入縫隙長度l的近似公式為

3 天線的仿真、測試與分析

用Ansoft HFSS10仿真軟件對加載陷波結(jié)構(gòu)加入前后的天線進(jìn)行仿真，并對設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了加工和測試，天線加工實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 天線實(shí)物圖

圖6給出了天線的S11曲線，其中包括加載陷波結(jié)構(gòu)前、加載寄生單元等效結(jié)構(gòu)、加載雙陷波結(jié)構(gòu)及實(shí)測的S11仿真曲線。由圖可得天線加載寄生單元與寄生單元等效結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果基本相近，雙陷波天線S11的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致，阻抗帶寬大于4.5∶1，加載縫隙后天線分別在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz頻段處產(chǎn)生陷波，但是也伴隨著對通帶內(nèi)的回波損耗特性的小幅度影響。天線的部分頻段增益仿真結(jié)果如圖7所示，通帶內(nèi)增益基本大于5 dB，適用于移動通信，阻帶內(nèi)增益分別下降7 dB和3 dB，陷波抑制作用比較明顯。

圖8給出了天線加載縫隙后分別在3 GHz，6 GHz，9 GHz的方向圖仿真結(jié)果。從圖中可以看出，整個頻段GainPhi和GainTheta方向圖基本相似，這是由天線本身的結(jié)構(gòu)決定的。隨著頻率的升高，天線主輻射方向的波瓣寬度逐漸增大，而且在整個頻帶范圍內(nèi)，天線的輻射方向圖基本一致，近似為全向輻射，滿足UWB天線在整個頻帶范圍對輻射方向圖的要求。

圖8 天線增益方向圖

4 結(jié)論

本文提出了一種新型雙陷波特性超寬帶平面天線，天線采用50Ω阻抗匹配微帶饋電，輻射貼片與接地板結(jié)構(gòu)相似，尺寸僅為24 mm×32 mm，易加工且便于集成，設(shè)計(jì)的天線阻抗帶寬覆蓋了3～13.5 GHz的頻率范圍，帶寬比大于4.5∶1，且方向圖特性良好。通過在輻射貼片上加載U型槽以及在饋線一側(cè)加載新型陷波結(jié)構(gòu)分別在3.3～3.8 GHz和5.3～5.6 GHz產(chǎn)生陷波，實(shí)現(xiàn)了UWB與WLAN頻段和WIMAX頻段的電磁兼容，并對陷波原理進(jìn)行了理論分析。天線的理論計(jì)算結(jié)果、仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果基本吻合，表明通帶內(nèi)天線的輻射效果良好，阻帶內(nèi)天線增益明顯下降，有效實(shí)現(xiàn)了陷波抑制輻射作用。

［1］鐘順時.微帶天線理論與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

［2］李春曉，鄭正奇.單層超寬帶微帶貼片天線的設(shè)計(jì)與分析［J］.電腦知識與技術(shù)，2008，36(4):168-171.

［3］常雷，廖成.具有寄生單元的新型帶阻超寬帶天線［J］.微波學(xué)報，2011，27(1):19-21.

［4］劉起坤，邢鋒，張廣求.一種新型雙陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報，2011，27(1):40-43.

［5］YUAN Dandong，WEI Hong，JIAN Yizhou，et al.Design and implementation ofplanar Ultra-wideband antennas characterized by multiple notched bands［J］.Micro.Opt.Technol.Lett.2009，51:520-526.

［6］KUMAR K，GUNASEKARAN N.A new novelcompactplanar UWB atenna［C］//Proc.ICSCCN 2011.［S.l.］:IEEE Press，2011:41-45.

［7］AZIM R，MOBASHSHER A T，ISLAM M T，et al.Compact planar antenna for UWB applications［C］//Proc.ICMMT 2010.［S.l.］:IEEE Press，2010:1987-1990.

［8］AZIM R，ISLAM M T，MISRAN N.Ground modified double-sided printed compact UWB antenna［J］.Electronics Letters，2011，47(1):9-11.