南敬昌 王藝扉 高明明 盧永

（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，無線通信技術(shù)隨著人們工作生活的需求日益發(fā)展更新，終端設(shè)備小型化、低成本、高效率的發(fā)展趨勢也逐漸凸顯，使得天線必將朝著小型化和寬帶化的目標(biāo)邁進. 美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)于1934年作為美國政府的獨立機構(gòu)而建立，其在2002年將3.1～10.6 GHz波段劃分到民用通信領(lǐng)域后[1]，超寬帶(ultra wideband, UWB)通信技術(shù)成為了學(xué)術(shù)界和無線通信領(lǐng)域的重點研究對象. UWB天線能夠在定位、軍用雷達、短距離通信等時域系統(tǒng)和所劃定的工作波段內(nèi)充分實現(xiàn)良好的全向輻射特性，而且設(shè)計制作方便、功率損耗低、輻射效率高[2].

然而很多窄帶通信波段會強烈干擾UWB系統(tǒng)的正常工作，因為這些波段就包括在UWB系統(tǒng)的工作帶寬內(nèi)，諸如WiMAX(3.3～3.6 GHz)、國際衛(wèi)星波段(4.5～4.8 GHz)、X波段(7.25～7.75 GHz)、國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)波段(8.01～8.5 GHz)[3]等. Schantz H G等最早提出了具有陷波特性UWB天線的概念[4]，只需以改變天線結(jié)構(gòu)的方式來影響天線上電流的分布，此時天線相當(dāng)于增加了一個帶阻濾波器，從而更好地實現(xiàn)頻帶抑制功能，極大程度上降低了整個系統(tǒng)的體積和設(shè)計的復(fù)雜程度. 目前解決天線過濾窄帶信號問題最為簡單的方法即是用具有陷波特性的UWB天線[5].在UWB天線設(shè)計中，實現(xiàn)天線的陷波特性主要采用開槽法[6]、添加枝節(jié)法[7]和寄生單元法[8]等. 其優(yōu)點很多，如結(jié)構(gòu)簡單，非常便于設(shè)計；對工作波段內(nèi)阻抗匹配影響較小，保證天線在工作波段內(nèi)能夠正常工作；而且原天線的尺寸也不會增加，很大程度上滿足了天線的小型化設(shè)計要求[9].

現(xiàn)今設(shè)計陷波天線的文獻也有很多，不過大部分都是雙陷波或者三陷波特性的，實現(xiàn)四陷波及以上特性的文獻很少[10]，主要原因是UWB天線以小型化為主要特點，基板的尺寸有限，陷波結(jié)構(gòu)不易加入太多[11]；其次是不同的陷波結(jié)構(gòu)之間存在互耦作用，調(diào)整實現(xiàn)多波段陷波時難度非常大. 文獻[12]中天線實現(xiàn)了3.1～11 GHz波段的UWB特性，該天線的雙陷波特性是通過在貼片上開四個L形槽的方法而獲得的，結(jié)構(gòu)簡單且適用于UWB系統(tǒng). 文獻[13]中天線以圓形單極子天線為基礎(chǔ)，在貼片中心引入四個圓形貼片并在地板上加載兩個互耦環(huán)縫諧振器(complementary split-ring resonators, CSRR)，抑制了WiMAX波段、C波段、INSAT波段和WLAN波段的干擾，實現(xiàn)了完好的雙頻陷波功能. 文獻[14]中天線采用錐形饋線源產(chǎn)生良好的UWB特性，通過開外環(huán)槽和內(nèi)環(huán)槽的方法抑制了WLAN波段和X波段的干擾，性能穩(wěn)定且輻射特性良好. 以上天線性能良好，設(shè)計結(jié)構(gòu)也比較簡單，不過這些天線產(chǎn)生的阻帶比較少，只能濾除不超過三種波段的窄帶信號，天線的尺寸較大且滿足的UWB工作頻率范圍較小.

本文提出了一款具有四陷波特性的小型化UWB天線，尺寸僅為31 mm×18 mm×1 mm，在輻射貼片半圓形凹槽上方加入T形枝節(jié)，輻射貼片中心開倒U形槽，微帶饋線附近加入對稱C形枝節(jié)以及微帶饋線上刻蝕U形窄縫隙，可以實現(xiàn)四個波段的陷波特性. 對接地板進行改進，兩側(cè)切角并在中間開五階魚骨形凹槽，使其改善有限矩形接地板在高頻處的阻抗匹配特性，進一步擴展天線帶寬.

1 天線設(shè)計

1.1 UWB天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文提出的具有四陷波特性的小型化UWB天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線總體尺寸為31 mm×18 mm×1 mm，選用的介質(zhì)基板其相對介電常數(shù)為4.4，等級材料為FR4. 通過長Lf和寬Wf的50 Ω微帶線進行饋電，并兩側(cè)設(shè)置切角部. 輻射貼片采用挖半圓形凹槽的矩形輻射貼片，背板采用開魚骨形凹槽的截短矩形接地板.

圖2為UWB天線輻射貼片的演變過程結(jié)構(gòu)圖.

圖1 UWB天線結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of the UWB antenna

圖2 輻射貼片演變過程結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure of radiation patch evolution process

1.2 陷波結(jié)構(gòu)設(shè)計

為解決本文所設(shè)計的天線在UWB波段內(nèi)與其他窄帶通信系統(tǒng)之間的相互干擾沖突問題，本文在圖2(d)基礎(chǔ)上，通過改進接地板結(jié)構(gòu)并加入不同的陷波結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)良好的UWB特性和四陷波特性，正面結(jié)構(gòu)如圖3所示：在半圓形凹槽上引入一個T形枝節(jié)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個陷波波段，有效抑制WiMAX波段；在輻射貼片中心位置開一個倒U形槽，產(chǎn)生第二個陷波，有效抑制國際衛(wèi)星波段；在饋線兩側(cè)引入對稱C形諧振枝節(jié)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整C形枝節(jié)，產(chǎn)生第三個陷波波段，有效抑制X波段；在微帶饋線上刻蝕U形窄縫隙，產(chǎn)生第四個陷波波段，有效抑制ITU波段. 天線的陷波結(jié)構(gòu)對應(yīng)長度為[14]

式中：fnotch為陷波中心頻率；c為光速；εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù). T形枝節(jié)、倒U形槽、對稱C形枝節(jié)和U形窄縫隙的總長度L1、L2、L3和L4分別為：

圖3 陷波UWB天線結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structural diagram of the notch UWB antenna

表1為該小型化四陷波UWB天線的最優(yōu)尺寸.

表1 UWB天線最優(yōu)尺寸Tab. 1 The size of the UWB antenna mm

2 實驗結(jié)果分析

2.1 背板結(jié)構(gòu)對天線性能的影響

在未加入陷波結(jié)構(gòu)前，確保其他結(jié)構(gòu)不變的情況下，背板結(jié)構(gòu)的改變極大程度上影響著天線的諧振特性和阻抗匹配特性. 圖4為該天線背板結(jié)構(gòu)的四個設(shè)計步驟：(a)為未改進矩形接地板，(b)為僅切除邊角的接地板，(c)為邊角中部開了矩形槽的接地板，(d) 為魚骨形凹槽.

圖4 UWB天線背板結(jié)構(gòu)接地板變化過程Fig. 4 Structure change process of the UWB antenna backplane

圖5為四種不同結(jié)構(gòu)接地板天線的回波損耗特性S11仿真結(jié)果. 可以看出，采用未改進矩形接地板的原始天 線，在8.2～9.7 GHz和10.6～11 GHz的S11大于?10 dB. 在天線正面輻射貼片確定的情況下，接地板僅切除邊角，天線在8.8 GHz左右的S11高于?10 dB. 接地板邊角中部開了矩形槽，天線在8.2～9.55 GHz的S11大于?10 dB. 本文采用的魚骨形凹槽接地板結(jié)構(gòu)天線的S11進一步降低，在3.6～12.7 GHz整個波段內(nèi)的S11明顯小于?10 dB，說明該結(jié)構(gòu)可以有效改善原矩形接地板在高頻處的阻抗匹配特性，使天線滿足UWB天線設(shè)計需求.

圖5 不同結(jié)構(gòu)接地板天線的S11仿真結(jié)果Fig. 5 Simulated S11 of antenna for different ground

本文在接地板處做了詳細(xì)研究與仿真測試，針對接地板特殊形狀的魚骨形凹槽，做了不同階數(shù)的仿真測試，圖6所示為一階到六階的天線S11仿真結(jié)果. 可以看出：隨著階數(shù)變高，天線的阻抗匹配特性逐漸變好，到達五階時效果最好；當(dāng)魚骨階數(shù)超過五階時，天線帶寬特性變差，部分波段S11大于?10 dB.主要是因為當(dāng)其他參數(shù)固定時，增大魚骨階數(shù)相當(dāng)于延長開槽長度，變相改變電流分布情況，會對天線阻抗匹配特性產(chǎn)生影響，必然存在一個固定高度使天線實現(xiàn)50 Ω阻抗匹配，當(dāng)高度越靠近這個固定值時，天線的阻抗匹配特性越好；當(dāng)高度遠(yuǎn)離這個固定值時，天線的阻抗匹配特性就會變差. 為了能夠得到更好的UWB特性，本文選擇五階魚骨.

圖6 不同階數(shù)魚骨結(jié)構(gòu)的S11Fig. 6 Different order fishbone structure of S11

從圖6中S11的五階魚骨圖像可以看出，工作帶寬3.6～12.7 GHz通頻帶內(nèi)S11均小于?10 dB，諧振點較多且圖像光滑，獲得了非常好的UWB特性.

2.2 陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

為避免窄帶通信系統(tǒng)干擾問題，在UWB天線結(jié)構(gòu)中引入T形枝節(jié)結(jié)構(gòu)和對稱C形枝節(jié)結(jié)構(gòu)、開倒U形槽和刻蝕U形窄縫隙來產(chǎn)生陷波特性. 圖7為不同T形枝節(jié)橫向長度Wa對應(yīng)的回波損耗特性S11仿真曲線，根據(jù)仿真效果圖，最終把天線Wa取為12.5～13.5 mm，步長設(shè)置為0.1 mm. 可以看出：當(dāng)Wa從12.5 mm增大到13.5 mm時，陷波中心略向低頻處偏；Wa=13 mm時在陷波波段處陷波范圍覆蓋整個波段且中心頻率處S11值大于?5 dB，峰值效果最好且?guī)捿^大.

圖7 不同T形枝節(jié)橫向長度Wa對應(yīng)的S11Fig. 7 S11 corresponding to Wa at different lengths of T-shape branches

圖8為不同倒U形槽長度Le對應(yīng)的S11仿真曲線. 可以看出：當(dāng)Le從6.5 mm增大到7.5 mm時，中心頻率向低頻處移動，而3.3～3.6 GHz波段的陷波未發(fā)生改變；當(dāng)Le=7 mm時陷波波段覆蓋整個國際衛(wèi)星波段，效果為最佳.

圖8 不同倒U形槽長度Le對應(yīng)的S11Fig. 8 S11 corresponding to Le at different lengths of inverted U-shape groove

圖9 引入不同陷波結(jié)構(gòu)的S11Fig. 9 S11 with different notch structures

為驗證各個陷波結(jié)構(gòu)之間的相互獨立性，圖9給出了該UWB天線在未引入陷波結(jié)構(gòu)到分別引入不同數(shù)量陷波結(jié)構(gòu)時對應(yīng)的S11仿真曲線. 可以看出，四個陷波結(jié)構(gòu)之間的略微干擾是由于互耦作用產(chǎn)生的，實際都相互獨立，天線帶寬也擴展到3～13.09 GHz.輸入阻抗是與饋線相連接的天線輸入端口的阻抗，圖10為天線輸入阻抗的仿真結(jié)果. 可以看出，在3.45 GHz、4.65 GHz、7.5 GHz和8.25 GHz左右輸入阻抗的實部遠(yuǎn)大于50 Ω，阻抗虛部也大于0 Ω，天線在該波段發(fā)生并聯(lián)諧振，呈現(xiàn)開路狀態(tài).

圖10 輸入阻抗仿真結(jié)果Fig. 10 The simulation result of input impedance

圖11所示為四陷波UWB天線等效電路，其中的諧振枝節(jié)1、諧振枝節(jié)2、諧振枝節(jié)3和諧振枝節(jié)4實際上等效于該天線所引入的陷波結(jié)構(gòu)T形枝節(jié)、倒U形槽、對稱C形枝節(jié)和U形窄縫隙，這四個諧振枝節(jié)就相當(dāng)于電路中的四個LC并聯(lián)諧振電路. 其串聯(lián)在電路中且諧振頻率分別為3.45 GHz、4.65 GHz、7.5 GHz和8.25 GHz. 由于電路呈現(xiàn)開路狀態(tài)，天線無法正常接收信號，從而可以有效避免這四個窄帶通信系統(tǒng)的干擾.

圖11 四陷波UWB天線等效電路Fig. 11 Equivalent circuit of four notch UWB antenna

2.3 天線陷波原理分析

為理解天線陷波原理，進一步對其進行分析，確定T形枝節(jié)、倒U形槽、對稱C形枝節(jié)以及U形窄縫隙與對應(yīng)陷波波段的關(guān)系，對天線表面電流進行仿真，圖12為四個陷波中心頻率處天線表面電流分布情況. 可以看出：3.45 GHz處的電流主要聚集在T形枝節(jié)上；4.65 GHz處的電流主要聚集在倒U形槽上；7.5 GHz處電流主要聚集在對稱C形枝節(jié)上；8.25 GHz處電流主要聚集在U形窄縫隙處. 由于能量在以上四處匯集而無法向外輻射，因此產(chǎn)生陷波.

圖12 四個陷波中心頻率處天線表面電流分布Fig. 12 The current distribution at center frequency on the four-notch antenna surface

3 實測結(jié)果分析

圖13所示為天線實物圖，經(jīng)過仿真優(yōu)化確定天線的最優(yōu)參數(shù)并制作實物在厚度為1 mm、相對介電常數(shù)為4.4的FR4基板上.

圖14為天線仿真與實測的S11對比圖，由于制作工藝等原因，仿真與實測存在一定誤差. 美國FCC在2002年定義的超寬帶民用范圍是3.1～10.6 GHz，從圖14看出，除陷波波段外，在3.1～10.6 GHz，天線S11均小于?10 dB，因此滿足UWB波段要求，并在3.24～3.8 GHz、4.5～4.97 GHz、7.24～7.76 GHz以及8～8.54 GHz四個波段具有較好的陷波特性.

圖13 天線實物圖Fig. 13 The prototype of the antenna

圖14 天線仿真與實測S11Fig. 14 The simulation and meansurement comparison of S11

UWB天線在實際應(yīng)用中，可塑性很強，不僅具有可通過開槽或添加枝節(jié)等方法來實現(xiàn)的陷波特性，還有全向的輻射特性，保證在通帶范圍內(nèi)能夠正常工作且收發(fā)信號良好. 圖15為天線在通帶內(nèi)任意三點的方向圖. 可以看出：小型化四陷波UWB天線在3 GHz、6.5 GHz及10 GHz三個頻點處的E面(YOZ面)仿真方向圖呈現(xiàn)“8”字形且為定向輻射，測試圖雖然有略微畸變，但仍呈現(xiàn)定向輻射特性；H面(XOZ面)仿真方向圖在3 GHz、6.5 GHz及10 GHz處呈現(xiàn)圓形且為全向輻射，測試圖也出現(xiàn)略微畸變，輻射強度也有所收縮，但仍具有全向輻射特性，符合UWB系統(tǒng)的工作要求.

圖16是天線的峰值增益仿真與實測圖，可以看出，天線峰值增益穩(wěn)定在3～5 dBi，四個陷波波段的增益則下降至?5 dBi、?3 dBi、?2 dBi和?3 dBi附近.說明天線在通頻帶內(nèi)的峰值增益比較穩(wěn)定，能夠正常工作，且天線在陷波波段里的增益明顯下降，有效地抑制了窄帶通信波段的干擾和影響.

圖15 三個不同頻點處的天線方向圖Fig. 15 Antenna patterns at 3 different frequencies

圖16 天線峰值增益實測圖Fig. 16 Measured peak gain of the antenna

圖17所示為天線的輻射效率，除陷波波段外，天線效率達到85%. 說明天線在通帶內(nèi)增益穩(wěn)定，陷波波段內(nèi)增益下降，有效抑制了窄帶通信波段的干擾.

表2為本文小型化四陷波UWB與各參考文獻中天線參數(shù)設(shè)計及實現(xiàn)的效果對比. 從表2可以看出，本文所設(shè)計天線的絕對帶寬可以達到10.09 GHz，且相對于文獻[9-11]，尺寸減小、結(jié)構(gòu)簡單且易于制作，僅采用添加T形枝節(jié)和對稱C形枝節(jié)結(jié)構(gòu)、刻蝕倒U形槽和U形窄縫隙就產(chǎn)生了四個波段的陷波特性.

圖17 天線輻射效率Fig. 17 Antenna radiation efficiency

表2 本文與參考文獻中天線性能對比Tab. 2 Comparison of antenna performance among references and this paper

4 結(jié) 論

本文提出了一款小型化四陷波特性的UWB天線，通過添加枝節(jié)和開槽的方法來抑制WiMAX波段、國際衛(wèi)星波段、X波段和ITU波段四種窄帶通信系統(tǒng)對UWB系統(tǒng)的干擾. 本文著重研究了不同形狀接地板結(jié)構(gòu)，背板開魚骨形凹槽的階數(shù)對天線帶寬的影響，以及在天線結(jié)構(gòu)上添加T形枝節(jié)和對稱C形枝節(jié)長度、開倒U形槽和刻蝕U形窄縫隙長度對陷波結(jié)構(gòu)的影響. 最終將天線加工成實物進行測試，仿真與實測結(jié)果基本吻合，證明除陷波波段外該天線具有良好的輻射特性和穩(wěn)定增益，性能良好，能廣泛應(yīng)用到實際的UWB系統(tǒng)中.