周喜權(quán)

(齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161106)

1 引言

隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息通信所要求的帶寬逐漸增加，超寬帶通信成為研究的熱點(diǎn)。美國通信委員會于2002年將3.11～10.16 GHz頻段作為超寬通信使用，但由于頻率覆蓋的范圍與5.15 ～5.825 GHz的無線局域網(wǎng)(WLAN)和3.4 ～3.6 GHz的全球微波無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(WMAX)頻段的干擾不可避免，解決這種干擾最簡單方法是在天線設(shè)計(jì)上直接產(chǎn)生陷波頻段，所以設(shè)計(jì)超寬帶陷波天線具有重要意義。

早期寬頻陷波天線是通過將不同頻段諧振的窄帶天線集成在一起實(shí)現(xiàn)多頻天線功能［1］。這樣設(shè)計(jì)的天線體積較大，還存在頻帶間的耦合干擾問題，影響天線性能。2003年，美國工程師Schantz H G提出了具有現(xiàn)代意義超寬帶陷波天線的理論。通過在超寬帶天線匹配半波長或1/4波長的諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)頻段的“陷波”［2－4］。文獻(xiàn)［5］中使用分形諧振貼片，實(shí)現(xiàn)了5 GHz附近寬帶陷波特性，但分形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于加工制作。通常情況下，在天線上開縫，可以實(shí)現(xiàn)特定頻段的陷波功能［6－9］。James R對天線的表面電流分布進(jìn)行了詳細(xì)分析，對陷波天線的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)與實(shí)踐作用［7］。

基于以上研究情況，本文設(shè)計(jì)了一種具有雙陷波功能的超寬帶天線。通過簡單微帶饋線輸入，并對輻射貼片進(jìn)行了表面開縫，形成U形和C形縫隙。并對影響天線陷波特性的縫隙尺寸進(jìn)行了分析和仿真，同時對貼片表面電流分布與縫隙關(guān)系進(jìn)行了仿真分析，提出開縫依據(jù)。仿真和實(shí)測結(jié)果表明，該天線在3.11～10.16 GHz寬頻范圍內(nèi)具有良好匹配特性，在5.15 ～5.825 GHz的無線局域網(wǎng)和3.4 ～3.6 GHz的全球微波無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)頻段具有良好陷波功能。天線尺寸較小，制作方便，便于集成在電路系統(tǒng)中。

2 天線模型構(gòu)建

2.1 天線結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)天線采用平面貼片微帶饋電設(shè)計(jì)，經(jīng)Ansoft HFSS v12軟件優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。天線制作在長寬高為33 mm×26 mm×0.74 mm、介電常數(shù)為2.2的聚四氟乙烯環(huán)氧樹脂基板上。介質(zhì)板正面是橢圓和矩形組成的酒杯貼片，在橢圓貼片的底部開有三對對稱縫隙，其間距為0.5 mm，縫寬為0.5 mm，長度分別為 2.56 mm、2.15 mm、1.39 mm，目的是增加天線電長度，滿足超寬帶天線頻段要求和天線尺寸減小目的。背面是被切角的矩形接地板，切角目的是調(diào)整輸入阻抗帶寬。天線采用特性阻抗為50 Ω的微帶線饋電。

圖1 天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Antenna structure

2.2 天線陷波工作原理

從上面分析中可知，在超寬帶天線上實(shí)現(xiàn)陷波功能較簡單方法是采用在輻射貼片上開規(guī)則縫隙，縫隙規(guī)則性主要是便于調(diào)試陷波頻點(diǎn)。由于天線輻射電流主要分布于貼片的邊緣和饋電附近，所以將U形縫放置在貼片邊緣附近，而C形縫放置在貼片饋電附近。圖1為具有雙陷波結(jié)構(gòu)天線，縫隙寬度為0.4 mm，各自的長度滿足相應(yīng)陷波中心頻率諧振要求，其相應(yīng)長度的改變影響各自諧振頻點(diǎn)位置。

通常來說，兩縫隙的長度為相應(yīng)陷波頻段中心頻率對應(yīng)的波長的一半，U形槽和C形槽的長度L可由公式(1)估算初始數(shù)據(jù):

其中，f0為陷波中心頻率，c為光速，εr為介質(zhì)板相對介電常數(shù)。通過優(yōu)化得到對應(yīng)U和C形槽的長度分別為35.6 mm和19.88 mm，對應(yīng)的中心頻率分別為3.5 GHz和5.5 GHz。

這種開縫實(shí)現(xiàn)陷波原理可以理解為將天線視為一組諧振頻率互為接近的RLC諧振電路的串聯(lián)［10］，如圖2 所示［9］，其電路等效輸入端阻抗 Zr，見公式(2)。

圖2 UWB天線等效電路Fig.2 Equivalent circuit of UWB antenna

當(dāng)傳輸線特性阻抗Z0滿足寬頻內(nèi)各諧波產(chǎn)生的等效輸入阻抗Zr匹配要求時，天線輻射在超寬帶范圍內(nèi)，這時天線輻射面電流主要分布于天線四周和與地板臨近的區(qū)域，圖3為8 GHz諧波電流分布。但當(dāng)輸入頻率為陷波中心頻率3.5 GHz時，其對應(yīng)的諧振電路諧振最強(qiáng)，其他變小，這時對應(yīng)的天線諧振面電流分布于U形縫隙周圍，如圖4(a)所示。它改變了天線輻射電流分布，使等效輸入電流發(fā)生變化，導(dǎo)致等效輸入阻抗發(fā)生變化，與傳輸線特性阻抗失配，使對應(yīng)該頻率的入射波產(chǎn)生強(qiáng)反射，從而產(chǎn)生3.5 GHz的陷波頻率。同理，輸入陷波中心頻率為5.5 GHz時，其C形縫周圍諧振面電流最強(qiáng)，其他諧波都較弱，如圖4(b)所示，這時輸入等效阻抗與傳輸線特性阻抗失配，從而產(chǎn)生5.5 GHz陷波頻率。

圖3 f0=8 GHz天線輻射面電流分布Fig.3 Surface current distribution of antenna radiation at f0=8 GHz

圖4 3.5 GHz和5.5 GHz天線輻射面電流分布Fig.4 Surface current distribution of antenna radiation at 3.5 GHz and 5.5 GHz

總之，陷波諧振電流產(chǎn)生在縫隙周圍，沿縫隙流動，相當(dāng)天線線電流分布，而線電流諧振長度為諧振頻率對應(yīng)波長的一半，所以公式(1)的縫隙長度L計(jì)算是選擇輻射貼片諧振頻率對應(yīng)波長的一半。

3 陷波特性仿真與分析

3.1 天線電氣性能仿真結(jié)果分析

輻射貼片上沒有開U和C形縫隙時其模型的端口駐波比(VSWR)曲線如圖5所示，可見天線在VSWR＜2的端口駐波比帶寬為3.01～11.65 GHz，包含UWB工作頻段。

圖5 沒有陷波下端口駐波比與頻率關(guān)系曲線Fig.5 Port VSWR with frequency curves in no notch

當(dāng)在天線上開有U形和C形縫隙時，通過仿真研究得到端口駐波比在VSWR＞2的兩個頻段陷波諧振點(diǎn)，其中的U形縫對應(yīng)的陷波低頻段為3.4～3.6 GHz，而 C 形 縫對應(yīng)的陷波高 頻 段4.61 ～5.97 GHz，如圖6 所示。

圖6 有陷波下端口駐波比與頻率關(guān)系曲線Fig.6 Port VSWR with frequency curve in notch

天線在7 GHz和10 GHz頻率下遠(yuǎn)場輻射如圖7(a)和(b)所示，從兩種頻率下平面輻射方向圖可知E面圖與偶極子輻射圖分布趨勢相同，隨頻率增加略有畸變;而H面方向圖基本保持全向分布，但隨著頻率升高也略有畸變。整個UWB頻段基本保持方向圖分布的穩(wěn)定，滿足超寬頻天線設(shè)計(jì)要求。

圖7 7 GHz和10 GHz的E面和H面方向圖Fig.7 E －plane and H －plane pattern at 7 GHz and 10 GHz

3.2 天線參數(shù)功能仿真分析

影響兩陷波諧振點(diǎn)位置因素很多，但主要是兩縫隙的大小和相對位置。由于U形和C形縫隙間距較近，有一定電磁互耦產(chǎn)生，所以調(diào)整它們尺寸與位置時將對兩個陷波頻率均有影響。下面分別對影響兩陷波的主要參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

(1)U形槽長度l22對陷波諧振頻率的性能影響

如圖8所示，U形長度l22不同對兩陷波諧振頻率都有影響，越長越向低頻移動，符合公式(1)變化規(guī)律，所以調(diào)整l22長度可以同時控制兩個諧振頻率點(diǎn)陷波位置。

(2)C形槽半徑r3對陷波諧振頻率影響

由圖9可知，C形半經(jīng)r3大小主要影響5.15～5.825 GHz高頻陷波點(diǎn)，對低頻陷波點(diǎn)影響較小，r3越小越向高頻擴(kuò)展，同樣符合公式(1)變化規(guī)律，所以通過調(diào)整r3可控制該陷波頻率位置。

圖9 C形槽半徑r3對天線性能影響Fig.9 Effect of radius r3 of C type on antenna performance

(3)C形槽垂直位置變化對陷波諧振點(diǎn)的影響

如圖10所示，隨著C形縫隙在垂直位置x2增加，也即垂直向下移動，兩陷波頻率都向低頻移動，說明兩縫隙相對間有互耦現(xiàn)象，所以通過改變x2也可控制兩陷波頻率位置。

圖10 C形槽位置x2變化對天線性能影響Fig.10 Effects of position x2 of C type on antenna performance

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)的天線使用了HFSS公司的高頻仿真軟件進(jìn)行了仿真，確定了天線的尺寸，在此基礎(chǔ)上加工出來天線實(shí)物如圖11所示。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線端口相應(yīng)頻率點(diǎn)的駐波比進(jìn)行了測量，得出了所需的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真比較圖如圖12所示。與仿真結(jié)果相比，天線工作的起始頻率有所上升，在兩個的陷波頻段有些偏移，阻帶中心頻率處的駐波比減小，但也在可使用的范圍內(nèi)。出現(xiàn)這些偏差是由天線實(shí)物在加工和端口焊時出現(xiàn)一定誤差引起的，不過總體上講，此結(jié)果和仿真得到的結(jié)果基本吻合。

圖11 實(shí)物天線Fig.11 Photo of the designed antenna

圖12 仿真與實(shí)測駐波比曲線Fig.12 Simulated and measured VSWR curve

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出帶有陷波功能的超寬帶單極子天線。通過在酒杯形輻射貼片上嵌入U(xiǎn)形和C形兩種形狀縫隙，實(shí)現(xiàn)了在頻率5.15 ～5.825 GHz和3.4～3.6 GHz上的陷波寬頻天線要求。該天線具有超寬帶優(yōu)勢的同時，避開了無線局域網(wǎng)和全球微波無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)頻段的干擾。在整個UWB頻段內(nèi)，有良好的輻射和方向圖穩(wěn)定特性，在最大輻射方向最大可達(dá)8.29 dB的增益。由于天線較小，兩陷波縫隙距離較近，有互耦作用，導(dǎo)致兩陷波頻率調(diào)整時互相影響，但經(jīng)仿真優(yōu)化基本實(shí)現(xiàn)所要求目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)超寬帶下實(shí)現(xiàn)雙陷波功能通信要求。

［1］ Schantz H.Frequency notched UWB antenans［C］//Proceedings of 2003 IEEE Ultra Wideband System and Technologies Conference.Reston，Virginia，USA:IEEE，2003:214－218.

［2］ Chen Wenshan.Design of the printed open slot for antenna WLAN/Wimax operation［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，5(4):1163 －1169.

［3］ Maj Y Z，Zhou S G.A new ultr－ wideband microsripline fed antenna with 3.5/5.5GHz dual band － notch finction［J］.Progress in Electom annetics Research Letters，2009，7:79 －85.

［4］ Tang Mingchun.Compact UWB antenna with multiple band － notches for WIMAX and WLAN［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2011，59(4):1372－1376.

［5］ Lui W J.Frequency notched Ulta － wideband microstrip slot antenna weith fractal tuning stub［J］.Electronics Letters，2005，41(6):294 －296.

［6］ Chu Q X，Huang T G.Compact UWB antenna with sharp band － notched characteristics for lower WLAN band［J］.Electronics Letters，2011，47(15):838 －839.

［7］ James R.Band － notched UWB antenna incorporating amicrostrip open － loop resnator［J］.IEEE Transcations on Antennas and Propagation，2011，59(8):3054 －3048.

［8］ 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(bào)，2011，27(1):40－43.LIUQi－kun，XING Feng，ZHANG Guang－ qin.Design of a Novel Planar Ultra－wideband Antenna with Dual Band－ Notched Characteristics［J］.Journal of Microwaves，2011，27(1):40 －43.(in Chinese)

［9］ 宋一川，丁君，郭陳江.具有雙頻陷波特性的超寬帶印刷天線研究［J］.微波學(xué)報(bào)，2013，29(1):65 －69.SONGYi－ chuan，DING Jun，GUO Chen － jiang.Research on Printed Monopole UWB Aantenna with Dual Band － Rejection Characteristic［J］.Journal of Microwaves，2013，29(1):65 －69.(in Chinese)

［10］ Lee Wang － Sang.Wideband planar monopole antennas with dual band － notched characteristics［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2008，56(12):3637 －3644.