南敬昌 劉婧 高明明 李蕾

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

引 言

近年來，超寬帶(ultra-wideband, UWB)天線以其速率高、功率低、保密性高等優(yōu)點(diǎn)在電子對抗、雷達(dá)、地雷探測和射頻識別設(shè)備等UWB通信系統(tǒng)中受到極大關(guān)注[1]. 隨著通信設(shè)備的小型化、集成化和便攜化程度的增長，天線也應(yīng)具備小型易集成等特點(diǎn). 目前，國內(nèi)外對實(shí)現(xiàn)天線小型化的設(shè)計主要采用高介電常數(shù)材料[2]、加載技術(shù)[3]、電流分布裁剪法[4]和分形技術(shù)[4-5]等. 在天線設(shè)計中，分形結(jié)構(gòu)特有的自相似性可以產(chǎn)生多頻效應(yīng)[6]，能夠設(shè)計出緊湊型UWB、寬帶和多頻的天線. 文獻(xiàn)[7]提出一種分形新型寬帶單極子天線，在減少了20%的尺寸的同時，實(shí)現(xiàn)了4.98～9.93 GHz的UWB特性. 文獻(xiàn)[8]提出了一種緊湊型分形UWB天線，尺寸為24.5 mm×20.0 mm，實(shí)現(xiàn)了3.5～7.5 GHz的UWB特性. 文獻(xiàn)[9]將菱形結(jié)構(gòu)作為初始單元通過四階迭代并改進(jìn)，設(shè)計了一款改進(jìn)的Sierpinski分形UWB天線，尺寸僅為16 mm×30 mm.

然而在UWB通信系統(tǒng)的工作頻帶內(nèi)，存在著許多窄帶通信系統(tǒng). 因而，在UWB天線設(shè)計中融入陷波結(jié)構(gòu)，可以有效防止這些窄帶通信系統(tǒng)對UWB通信系統(tǒng)產(chǎn)生沖突干擾. 可調(diào)諧枝節(jié)的引入[10]，寄生單元的添加[11]或者在輻射貼片或接地板上進(jìn)行開槽[12]等設(shè)計均可在UWB天線結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)陷波特性. 文獻(xiàn)[12]采用開槽方式，設(shè)計了一種小型化具有雙陷波特性的UWB天線，有效濾除了WiMAX頻段（3～3.99 GHz）和WLAN頻段（5～5.9 GHz）.文獻(xiàn)[13]采用添加寄生單元的方式有效避免了WLAN系統(tǒng)的干擾. 但是這兩款天線只能產(chǎn)生一個頻段或兩個頻段的陷波，不能同時避免多種窄帶系統(tǒng)的干擾.

本文設(shè)計了一款三陷波UWB天線，采用分形技術(shù)有效拓展了天線的帶寬，通過分形迭代次數(shù)的增加和采用缺陷地接地板結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)3.1～18.1 GHz UWB帶寬；在分形結(jié)構(gòu)的上部添加對稱倒L形開路枝節(jié)，實(shí)現(xiàn)4.5～4.8 GHz的陷波特性，并在微帶饋線兩側(cè)添加對稱L形開路枝節(jié)，實(shí)現(xiàn)7.2～7.8 GHz的陷波特性，在微帶饋線處刻蝕倒π形槽，實(shí)現(xiàn)8.0～8.5 GHz的陷波特性. 天線相對帶寬達(dá)到141.5%，尺寸為35.0 mm×26.0 mm×1.6 mm，并在通帶內(nèi)具有良好的輻射特性.

1 天線設(shè)計

1.1 分形結(jié)構(gòu)設(shè)計

迭代函數(shù)系統(tǒng)（iterated function system，IFS）作為分形理論的數(shù)學(xué)語言，能將產(chǎn)生分形的過程表述為 一系 列 自 仿 射變 化[9]. 設(shè) (x,y)是 原 始 點(diǎn)，(x′,y′)是經(jīng)過仿射變換后的點(diǎn)，則自仿射可以由式（1）表示：

式中：r，s為x，y方向的縮放比例；φ，ψ為x，y方向的旋轉(zhuǎn)變化量；x0，y0為x，y方向的平移量. 由于分形結(jié)構(gòu)具有自相似特性，若n階迭代結(jié)構(gòu)可用An表示，則存在N個仿射變換wi(i=1,2,···,N)，且滿足

本文設(shè)計的類Sierpinski分形結(jié)構(gòu)如圖1所示，其1階結(jié)構(gòu)A是一個外圓半徑為R的環(huán)狀內(nèi)嵌一個五角星形結(jié)構(gòu)，將1階分形結(jié)構(gòu)以a=0.26的比例縮小后向下移動0.74R，依次旋轉(zhuǎn)72°、144°、216°和288°，并使得1階結(jié)構(gòu)內(nèi)圓環(huán)與縮小后結(jié)構(gòu)的外圓環(huán)相接，可以得到2階分形結(jié)構(gòu).

圖1 分形結(jié)構(gòu)迭代過程Fig. 1 Fractal iterative process

該分形結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生過程可以用IFS來描述. 初始結(jié)構(gòu)A，存在自仿射變換w1,w2,···,w5，將這些自仿射變換作用到初始結(jié)構(gòu)A上，則分形結(jié)構(gòu)的IFS產(chǎn)生過程如下：

由此，得到本文所用2階分形結(jié)構(gòu)A2為

1.2 天線的設(shè)計

本文所設(shè)計天線整體結(jié)構(gòu)如圖2所示. 該天線正面輻射貼片為圓環(huán)與五角星形嵌套迭代的2階類Sierpinski分形結(jié)構(gòu)的輻射貼片，天線背面采用截短矩形中上部開槽的缺陷地結(jié)構(gòu)，并采用50 Ω的微帶線饋電. 從圖2可以看出，該分形結(jié)構(gòu)中圓環(huán)與五角星形所構(gòu)成的不規(guī)則邊緣，有效增加了電流傳播路徑. 在天線工作時，分形的相似結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電流路徑會產(chǎn)生多頻率諧振點(diǎn)，使得該天線具有多頻和寬頻特性，有效拓寬了天線帶寬[14]. 而缺陷地接地板進(jìn)一步改善了天線阻抗匹配，減小了回波損耗. 經(jīng)仿真優(yōu)化，天線的最優(yōu)參數(shù)如表1所示.

圖2 天線結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 The antenna structure

表1 天線的尺寸Tab. 1 The size of antenna mm

為解決本文所設(shè)計的天線在UWB頻帶內(nèi)與其他窄帶通信系統(tǒng)之間的相互干擾沖突問題，引入陷波結(jié)構(gòu). 在天線正面引入一對寬度S2為0.5 mm的對稱倒L形枝節(jié)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個陷波頻段，有效抑制國際衛(wèi)星波段（4.5～4.8 GHz）. 在微帶饋線兩側(cè)添加一對對稱L形開路枝節(jié)，產(chǎn)生第二個陷波，有效抑制X波段（7.2～7.8 GHz）衛(wèi)星通信系統(tǒng). 在饋線處嵌入寬度S4為0.3 mm的倒π形窄縫隙，形成該結(jié)構(gòu)的第三個陷波，有效抑制國際電信聯(lián)盟波段(8.0～8.5 GHz)通信系統(tǒng). 從原理分析，陷波結(jié)構(gòu)的引入可看作為在UWB天線的結(jié)構(gòu)上添加了半波長諧振器，使得天線在陷波頻段工作時，表面電流會改變其原有走向，集中到開路枝節(jié)上或槽口附近，造成阻抗匹配失效. 陷波結(jié)構(gòu)對應(yīng)長度計算公式為

式中：fnotch表 示陷 波 中心頻 率；c表 示 光速； εr表示介質(zhì)板的相對介電常數(shù).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 分形結(jié)構(gòu)對天線性能的影響

研究表明，分形的階數(shù)會對天線的性能產(chǎn)生多種影響，所以需要對天線的分形結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究.在保證天線接地板結(jié)構(gòu)不變的情況下，分別對正面輻射貼片為五角星形、1階分形和2階分形結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真. 圖3給出了不同輻射貼片對應(yīng)的S11仿真曲線. 可以看出：1階分形結(jié)構(gòu)相較于五角星形結(jié)構(gòu)增加了多諧振點(diǎn)，拓展了低頻與高頻處帶寬；2階分形結(jié)構(gòu)在7.0～15 GHz左右有效增加了多諧振頻點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)諧振特性優(yōu)于1階分形結(jié)構(gòu)，表明該分形結(jié)構(gòu)可以改善天線的阻抗匹配特性，進(jìn)一步證明分形迭代次數(shù)的增加能有效擴(kuò)展天線的帶寬. 因此，本文采用2階分形結(jié)構(gòu)作為天線的輻射貼片.

圖3 不同輻射貼片對應(yīng)的S11Fig. 3 The S11 in different radiation patches

2.2 缺陷地結(jié)構(gòu)對天線性能的影響

接地板結(jié)構(gòu)的改變，對天線性能也會產(chǎn)生較大影響. 本文在天線正面輻射貼片為2次迭代的分形結(jié)構(gòu)下，研究天線的接地板結(jié)構(gòu)對天線產(chǎn)生的影響. 其結(jié)果如圖4所示：所用截短矩形接地板的天線在7.5～9.5 GHz頻段內(nèi)，回波損耗大于?10 dB；采用截短矩形接地板中上部開槽的天線在3.2～18.1 GHz頻段的回波損耗均小于?10 dB. 因此本文采用中上部開槽的缺陷地結(jié)構(gòu)，經(jīng)HFSS仿真優(yōu)化發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)匕宓母叨萀6=6.2 mm、開槽的長L5=3.0 mm、寬W5=3.5 mm時可以在3.2～18.1 GHz整個頻段產(chǎn)生良好的UWB特性. 這表明該缺陷地結(jié)構(gòu)優(yōu)化了天線的阻抗匹配，達(dá)到擴(kuò)展天線帶寬的目的.

圖4 不同缺陷地結(jié)構(gòu)對應(yīng)的S11Fig. 4 The S11 in different defected ground structure

2.3 陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

窄帶通信系統(tǒng)與UWB系統(tǒng)之間會產(chǎn)生沖突干擾，陷波結(jié)構(gòu)的引入可以有效避免通信干擾問題. 在UWB天線結(jié)構(gòu)中引入對稱L形枝節(jié)、開倒π形槽，可產(chǎn)生陷波特性. 圖5與圖6為改變倒L形開路枝節(jié)的豎直長度L2與水平長度W2對應(yīng)的電壓駐波比(voltage standing wave ratio, VSWR)仿真曲線，當(dāng)L2從5.2 mm增大到5.8 mm時，或W2從6.0 mm增大到6.6 mm時，4.5～4.8 GHz的陷波中心頻率明顯地向低頻移動，而中心頻率為7.5 GHz和8.25 GHz處的陷波未發(fā)生改變.

圖5 不同長度L2對應(yīng)的VSWRFig. 5 The VSWR in different length of hook L2

圖7與圖8為對稱L形開路枝節(jié)長度L3和W3對應(yīng)的VSWR仿真曲線. L形枝節(jié)的長度L3從4.8 mm增大到5.2 mm時，或W3從6.4 mm增大到7.0 mm時，7.2～7.8 GHz處的陷波向低頻處移動，而中心頻率為4.65 GHz和8.25 GHz處的陷波未發(fā)生明顯偏移.

圖6 不同長度W2對應(yīng)的VSWRFig. 6 The VSWR in different length of hook W2

圖7 不同長度L3對應(yīng)的VSWRFig. 7 The VSWR in different length of hook L3

圖8 不同長度W3對應(yīng)的VSWRFig. 8 The VSWR in different length of hook W3

圖9為調(diào)節(jié)微帶饋線處倒π形槽長度L4對應(yīng)的VSWR仿真曲線.L4由5.06 mm增加到5.26 mm時，8.0～8.5 GHz的陷波中心頻率向低頻處移動，而中心頻率為4.65 GHz和7.5 GHz處的陷波未發(fā)生改變. 由上述分析可知，所引入的陷波結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，對一種陷波結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)時不會對其他陷波特性產(chǎn)生較大影響.

圖9 不同長度L4對應(yīng)的VSWRFig. 9 The VSWR in different length of hook L4

圖10為UWB天線和分別引入1～3個陷波結(jié)構(gòu)時對應(yīng)的VSWR仿真曲線. 由圖10可知，引入的3個陷波結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，且天線的工作帶寬擴(kuò)展到3.1～18.1 GHz.

圖10 引入不同陷波結(jié)構(gòu)的VSWRFig. 10 The VSWR in different band-notched characteristics

圖11給出了在整個頻段內(nèi)該陷波天線的輸入阻抗曲線. 從圖11中可知，在4.65 GHz、7.5 GHz和8.25 GHz左右，輸入阻抗實(shí)部遠(yuǎn)大于50 Ω，阻抗虛部也脫離0 Ω的范圍，天線在該頻段發(fā)生并聯(lián)諧振特性，呈現(xiàn)開路狀態(tài).

圖11 輸入阻抗仿真曲線Fig. 11 The simulation result of input impedance

圖12為天線的等效電路圖. 在天線中引入陷波結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在電路圖中添加了三個諧振枝節(jié).根據(jù)圖11中天線的阻抗曲線圖所示，引入的三個諧振枝節(jié)可看做是在電路中串聯(lián)了三個LC并聯(lián)諧振電路，并將諧振電路的諧振頻率設(shè)定在4.65 GHz、7.5 GHz和8.25 GHz. 在天線工作在這三個頻率范圍內(nèi)時，無法正常接收信號，可以避免其他通信系統(tǒng)的信號干擾[15].

圖12 阻帶頻段等效電路Fig. 12 Equivalent circuit in pass-band

由上述分析可知，在UWB天線結(jié)構(gòu)中引入對稱L形開路枝節(jié)并在微帶饋線處開倒π形槽，實(shí)現(xiàn)了4.5～4.8 GHz、7.2～7.8 GHz和8.0～8.5 GHz的陷波特性，有效避開了國際衛(wèi)星波段（4.5～4.8 GHz）、X衛(wèi)星波段（7.2～7.8 GHz）和國際電信聯(lián)盟波段（8.0～8.5 GHz）等三種窄帶波段.

2.4 天線陷波原理分析

研究具有陷波特性的UWB天線的電流分布，能更加直接清晰看出陷波結(jié)構(gòu)與陷波頻段的對應(yīng)關(guān)系. 陷波中心頻率分別是4.65 GHz、7.5 GHz以及8.25 GHz處天線表面電流分布情況如圖13所示. 在4.65 GHz和7.5 GHz的陷波頻率處，電流主要聚集在對稱L形開路枝節(jié)上，在8.25 GHz的陷波頻率處，電流主要集中在倒π形窄縫隙上，而不能被天線向外輻射，產(chǎn)生陷波.

圖13 陷波中心頻率處天線表面電流分布Fig. 13 The current distribution on antenna surface at center notch frequency

2.5 輻射特性分析

UWB天線為滿足實(shí)際生活中的應(yīng)用需求，在通帶范圍內(nèi)需具備全向輻射特性，圖14為天線在通帶頻段內(nèi)任選3個頻點(diǎn)的遠(yuǎn)場E面和H面輻射方向圖. 從圖14可知：天線在3.5 GHz和7.0 GHz處，E面方向圖呈穩(wěn)定“8”字形定向輻射，H面方向圖呈近似圓形的全向輻射特性；雖在14 GHz處出現(xiàn)畸變，但天線在通帶內(nèi)較為穩(wěn)定，有良好的全向輻射特性.

圖14 不同頻點(diǎn)處的天線方向圖Fig. 14 Antenna patterns at different frequencies

3 實(shí)測結(jié)果分析

圖15與圖16分別為天線實(shí)物圖和仿真與實(shí)測的VSWR對比圖. 選取厚度為1.6 mm、相對介電常數(shù)為4.4的FR4基板作為天線的介質(zhì)基板，并使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線VSWR進(jìn)行測試. 由于制作工藝等原因，仿真與實(shí)測結(jié)果存在一定誤差，由圖16可知，實(shí)測天線工作帶寬滿足UWB頻段，并在4.5～4.8 GHz，7.0～7.6 GHz和7.8～8.4 GH三頻段具有較好的陷波特性.

圖15 天線實(shí)物圖Fig. 15 The prototype of antenna

圖16 仿真與實(shí)測VSWR對比圖Fig. 16 The simulation and measurement comparison of VSWR

天線峰值增益的穩(wěn)定程度和輻射效率的高低是衡量天線性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo). 由圖17可知：在三個通帶頻段上天線峰值增益穩(wěn)定在3～6 dBi，但在三個陷波頻段增益顯著降低，分別下降到1.3 dBi、?0.5 dBi和?2.5 dBi左右；除陷波頻段外，天線的效率達(dá)到80%. 這表明在通帶頻段內(nèi)天線的峰值增益較穩(wěn)定，可以正常工作；在陷波頻段增益降低，無法正常工作，由此可以有效地阻隔窄帶通信系統(tǒng)的干擾.

圖17 峰值增益與天線效率Fig. 17 The peak gain and radiation efficiency

最后，將本文天線與文獻(xiàn)[16-18]中所提陷波UWB天線進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表2所示.

從表2可以看出：本文提出的UWB天線的絕對帶寬達(dá)到15 GHz，而相對于文獻(xiàn)[16-18]，分形結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以有效減小天線尺寸；采用對稱L形枝節(jié)和倒π形窄縫隙產(chǎn)生了陷波中心頻率分別為4.65 GHz、7.5 GHz和8.25 GHz的三個頻段的陷波特性，結(jié)構(gòu)簡單.

表2 本文天線與文獻(xiàn)中天線對比Tab. 2 Comparison of antennas between references and this paper

4 結(jié) 論

本文提出了一款具有三陷波特性的類Sierpinski分形UWB天線. 分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于天線設(shè)計中，可有效擴(kuò)展天線帶寬、減小尺寸. 通過開槽以及引入開路枝節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)良好的陷波特性，有效阻斷了國際衛(wèi)星波段、X衛(wèi)星波段和國際電信聯(lián)盟波段三種窄帶通信系統(tǒng)對UWB系統(tǒng)的干擾. 本文著重研究分析了分形結(jié)構(gòu)的階數(shù)和不同形狀缺陷地結(jié)構(gòu)對天線帶寬的影響，以及在天線結(jié)構(gòu)上添加的L形枝節(jié)長度與π形槽的長度對陷波結(jié)構(gòu)的影響. 仿真與測試結(jié)果表明，除陷波頻段外，該天線具有良好的輻射特性和穩(wěn)定的增益，可應(yīng)用于實(shí)際的UWB系統(tǒng)之中.