李國金，林圣夫，南敬昌，王藝扉

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

0 引 言

近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，加快了無線通信技術(shù)日益更新，成為了人們工作生活中的不可或缺的一部分。在2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)將3.1～10.6 GHz頻帶范圍劃分到民用通信領(lǐng)域后，超寬帶(ultra-wideband,UWB)通信技術(shù)成為了無線通信領(lǐng)域和學術(shù)界以及商業(yè)界的研究熱點[1]。超寬帶天線不僅能夠在雷達、定位和一些短距離通信系統(tǒng)等所劃定的工作頻段內(nèi)實現(xiàn)良好的全向輻射特性，而且具有傳輸效率高、功率損耗低、輻射效率高等優(yōu)點，同時易于設(shè)計和制作[2]。

然而，超寬帶系統(tǒng)具有許多窄帶通信頻帶，并且整個系統(tǒng)不能正常且穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)，這些窄帶頻段包括INSAT波段(4.4～4.5 GHz)、國際衛(wèi)星波段(4.5～4.8 GHz)波段、部分無線局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)波段(5.725～5.825 GHz)以及X波段(7.25～7.75 GHz)等。因此，需要設(shè)計出良好性能且具有陷波特性的超寬帶天線，將其運用在通信系統(tǒng)中來解決這些窄帶頻率干擾的問題。通過國內(nèi)外學者多年的研究，不同結(jié)構(gòu)的陷波超寬帶天線被相繼提出，主要結(jié)構(gòu)包括開槽法[3]、添加枝節(jié)法[4]和寄生單元法[4]等。開槽法是幾種方法中最受青睞的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)以及產(chǎn)生陷波效果好等優(yōu)點，除此之外，它不會增加原天線的尺寸大小，利于實現(xiàn)小型化的同時,對工作頻段內(nèi)阻抗匹配的影響較少[5]。

文獻[6]提出了一種工作帶寬為3～12 GHz的雙陷波超寬帶天線，該天線采用在天線背面引入新型多模諧振器產(chǎn)生了中心頻率為5.5 GHz和8.1 GHz的陷波，天線尺寸較小。文獻[7]設(shè)計的天線采用在矩形輻射貼片中部包裹式疊刻蝕2個倒U形槽的方法濾除了3.3～3.8 GHz和5.0～5.9 GHz兩個頻帶信號的影響，實現(xiàn)了3.1～10.6 GHz頻段的超寬帶特性的同時又具有較為簡單的結(jié)構(gòu)。文獻[8]中的天線采用在圓形輻射貼片左上方引入弧形槽并在右下方刻蝕倒L形槽的方式，抑制了WiMAX(3.3～3.6 GHz)和WLAN(5.15～5.825 GHz)波段的干擾，該天線擁有優(yōu)異的性能。上述幾類天線性能良好，均能濾除干擾頻段，不過產(chǎn)生的陷波數(shù)量較少且天線的尺寸較大，能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶特性的頻帶寬度較窄。

本文提出了一種小型化新型多陷波超寬帶天線，該天線的整體尺寸僅為25 mm×18 mm×1 mm，在改進矩形輻射貼片上刻蝕U形窄縫隙和倒U形槽，并在微帶線上引入U形窄縫隙，在結(jié)構(gòu)更加緊湊的同時對INSAT波段、國際衛(wèi)星波段、部分WLAN波段以及X波段等多頻段的窄帶信號進行隔阻。對半圓接地板的中部進行開槽，使得天線在中高頻阻抗匹配特性得以改善，從而擴寬了天線的工作頻帶，實現(xiàn)了3.1～15.1 GHz的超寬帶特性。

1 天線設(shè)計

1.1 超寬帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文提出的一種小型化新型多陷波超寬帶天線采用FR4材料作為介質(zhì)基板，其介電常數(shù)為4.4，天線總體尺寸為25 mm×18 mm×1 mm，使用長度為Lv、寬度為Wv的50 Ω矩形微帶線進行饋電。通過在矩形輻射貼片底部設(shè)置對稱1/4圓切角，使得天線高頻的匹配特性得以改善，從而擴寬了天線的工作頻帶。在輻射貼片的中上部開一個矩形凹槽，進一步優(yōu)化了天線的穩(wěn)定性并且減少了輻射貼片的有效面積，提高了材料的利用率。將原始背面矩形接地板換成半圓接地板后，天線的有效帶寬得到了進一步的拓展，但此時天線中低頻的輸入回波損耗無法滿足工作需要，于是在接地板的中部開設(shè)矩形凹槽，使得天線中低頻的性能大幅提升，最終實現(xiàn)了4～15.1 GHz的超寬帶特性。

如圖1為超寬帶天線結(jié)構(gòu)圖，L和W分別為介質(zhì)基板的長和寬；R為1/4圓切角的半徑；Lf為輻射貼片的長度；Lv和Wv分別為微帶線的長和寬；Lg和Wg分別為接地板矩形凹槽的長和寬。在上述方法后天線實現(xiàn)了良好的陷波特性，擁有了較寬的帶寬。在此基礎(chǔ)上再引入3個陷波結(jié)構(gòu)，從而進一步實現(xiàn)優(yōu)異的陷波特性。

圖1 超寬帶天線結(jié)構(gòu)

1.2 陷波結(jié)構(gòu)設(shè)計

在實現(xiàn)了本文的超寬帶特性之后，為了濾除窄帶信號對超寬帶系統(tǒng)的干擾，在輻射貼片的矩形凹槽下方引入一個U形窄縫隙，產(chǎn)生了一個能夠抑制INSAT波段和國際衛(wèi)星波段的陷波；在第一個陷波結(jié)構(gòu)的下方，刻蝕了倒U形槽，實現(xiàn)了第二個陷波頻段，成功解決了X波段信號干擾的問題；最后在微帶線上開設(shè)一個U形窄縫隙，產(chǎn)生了第三個陷波特性，有效抑制了部分WLAN信號的干擾，天線的陷波結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，L21，L22，W21，W22為輻射貼片U形窄縫隙所對應(yīng)的長和寬；L31，L32，W31，W32為U形槽所對應(yīng)的長和寬；L41，L42，W41為微帶線處U形窄縫隙的長和寬。

圖2 天線陷波結(jié)構(gòu)

超寬帶天線通過上述開槽能夠產(chǎn)生陷波特性，從原理上說，相當于引入了半波長諧振結(jié)構(gòu)，槽的總長度為所需濾除頻段的中心頻率波長的1/2。對應(yīng)的公式如下

(1)

式中fnotch為所需濾除頻段的中心頻率，c為光速，εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，但式(1)只能夠計算出槽總體長度的大概值，具體的精確值需要用HFSS軟件進行精密的優(yōu)化仿真，從而得出參數(shù)的最優(yōu)值如表1所示。

表1 超寬帶天線參數(shù)尺寸 mm

2 實驗結(jié)果分析

2.1 天線接地板結(jié)構(gòu)性能分析

在正面的輻射貼片形狀確定且未引進陷波結(jié)構(gòu)的情況下，天線接地板的結(jié)構(gòu)改變會對超寬帶特性的實現(xiàn)產(chǎn)生巨大的影響。圖3為該天線接地板的4個設(shè)計步驟：a.初始矩形接地板；b.截短矩形接地板；c.半圓接地板；d.具有矩形開槽的半圓接地板。

圖3 接地板設(shè)計步驟

圖4為4種結(jié)構(gòu)接地板所對應(yīng)的反射系數(shù)S11的仿真結(jié)果，從圖中可以看出：1)在使用初始矩形接地板時，天線的S11參數(shù)曲線整體明顯都在-10 dB上方附近，只有高頻處的2個小頻段低于-10 dB，表明天線此時無法正常工作，此接地板無法滿足設(shè)計需要。2)在初始矩形接地板進行截短后，天線的反射系數(shù)在4.8～8.2 GHz以及11.5～14.4 GHz兩個頻段內(nèi)小于-10 dB，相比于初始接地板有所提升，但在其余頻段仍然無法滿足天線的特性。3)將接地板的結(jié)構(gòu)換成半圓后，此時的接地板改善了天線的整體性能，天線的S11曲線在整個大頻段內(nèi)都有了大幅度的下移，但仍然在6.2～7.1 GHz以及9.2～10.1 GHz的頻段內(nèi)不滿足需求。4)最后在半圓接地板上開了一個矩形槽，使得天線在6～10 GHz的中高頻段內(nèi)的匹配阻抗特性得到大幅改善，整條曲線都下移到了-15 dB以下，表明天線性能良好且實現(xiàn)了4～15.1 GHz的超寬帶特性。從上述分析中可以看出，截短矩形接地板改善了天線低頻處以及超高頻處的性能，半圓接地板在此基礎(chǔ)上擴寬了高頻和超高頻處的工作帶寬，具有矩形開槽的半圓接地板大幅改善了天線中頻處的性能，進一步擴寬了天線整體的帶寬。

圖4 不同結(jié)構(gòu)接地板天線的S11仿真結(jié)果

2.2 天線陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

在對超寬帶的設(shè)計完成后，進一步在天線優(yōu)化完成后的輻射貼片上方和下方引入U形窄縫隙和倒U形凹槽，并且在矩形微帶線上引入U形窄縫隙。為了進一步研究天線的陷波結(jié)構(gòu)改變對性能的影響，圖5為只引入輻射貼片上倒U形槽并改變其兩側(cè)長度L31值時對應(yīng)的S11曲線變化圖，從圖5中可以看出：1)在引入陷波結(jié)構(gòu)后，天線的S11曲線立刻在對應(yīng)頻段向上產(chǎn)生了尖波，說明此陷波結(jié)構(gòu)的在對應(yīng)頻段改變了天線的阻抗匹配特性，使得天線在對應(yīng)頻段具有陷波特性。2)隨著L31值的增大，陷波的中心頻率逐漸向低頻移動，符合陷波計算公式的原理。3)L31值的變化主要改變了陷波的中心頻率的位置，基本不改變陷波頻率的寬度和天線整體的帶寬，最后選取L31值為4 mm時為最佳值，此時陷波的頻率覆蓋了7～8 GHz。

圖5 不同L31值對應(yīng)S11曲線

將3個陷波結(jié)構(gòu)都加入天線以后，改變輻射貼片上U形窄縫隙的寬度W22值來分析天線的陷波特性，圖6為不同的W22值所對應(yīng)的S11曲線。

圖6 不同的W22值所對應(yīng)的S11曲線

從圖6中可以看出：1)引入了3個陷波結(jié)構(gòu)后，天線的S11曲線對應(yīng)的產(chǎn)生了3個波峰，證明了陷波結(jié)構(gòu)的作用明顯。2)隨著W22值的增大，在低頻處的陷波頻率寬度發(fā)生了明顯的變化，先從大變小，再從小轉(zhuǎn)到大，并且陷波中心頻率也隨著發(fā)生移動，表明U形窄縫隙的寬度能夠控制陷波頻率的范圍和中心頻率的位置。3)W22值的改變僅影響了低頻處陷波的S11曲線變化，中高頻處的2個陷波對應(yīng)的S11曲線基本吻合，反映了天線的3個陷波結(jié)構(gòu)具有獨立性，基本不受耦合作用的干擾，調(diào)節(jié)W22值為0.27 mm，使得3個陷波性能都達到最好。4)對比于未加入陷波結(jié)構(gòu)之前，天線低頻的帶寬有明顯的拓寬，表明低頻處陷波結(jié)構(gòu)的加入一定程度上改善了低頻處的阻抗匹配特性，最終達到3.1～15.1 GHz的工作帶寬，并產(chǎn)生了4.1～4.8 GHz，5.4～5.9 GHz和7.1～7.9 GHz三個頻段的陷波。

2.3 天線陷波特性原理與輻射特性分析

圖7(a)～(d)為天線在陷波中心頻率為4.6，5.75，7.5 GHz和正常工作下頻率11 GHz時的天線表面電流分布圖。從圖7中可以清晰地看出，在4.6，5.75，7.5 GHz的陷波中心頻段時，天線表面的能量分別匯聚在輻射貼片上方的U形窄縫隙、微帶線上的U形窄縫隙和輻射貼片下方的倒U形槽附近，由于能量聚集無法向外輻射，此時的天線失去基本工作能力，因此具有良好的陷波特性。而在10 GHz時，在沒有陷波結(jié)構(gòu)的影響下，天線表面電流分布十分均衡，表明能量能夠很好地被輻射出去，此時天線性能良好。

圖7 天線表面電流分布

圖8為天線在4，7，10 GHz下的天線輻射方向圖。從圖中可以看出，天線工作在4 GHz和7 GHz時，E面呈現(xiàn)明顯“8”字形狀的定向輻射特性，H面的方向圖近似一個正圓形，表示天線此時具有全向輻射特性。隨著頻率的增高，在10 GHz處，E面的“8”字形狀略微有些畸變，表示高頻時的輻射特性與低頻處相比有所變壞，但是仍然具有符合超寬帶系統(tǒng)工作要求的定向和全向輻射特性。

圖8 天線方向圖

3 天線實測結(jié)果分析

經(jīng)過HFSS仿真優(yōu)化之后，進一步地設(shè)計版圖并制作實物，通過實物的測試來保證設(shè)計的準確性。圖9為制作的天線實物。

圖9 天線實物

圖10為天線實測與仿真的S11對比，從圖中可以看出仿真曲線與實測曲線基本吻合，天線的帶寬達到3.1～15.2 GHz，并且在4.0～4.8 GHz，5.4～5.8 GHz，7.1～7.9 GHz的S11參數(shù)都在-10 dB以上，表明天線具有良好的陷波特性，在其余工作頻段內(nèi)的S11參數(shù)均小于-15 dB，表明天線具有穩(wěn)定的性能。誤差產(chǎn)生的主要原因是由于實物加工過程中的磨損，設(shè)備精度等情況造成的。

圖10 S11仿真與實測對比

圖11為天線增益實測。從圖中可以看出，在工作時天線的增益曲線在3～5 dBi之間振蕩，起伏不大，曲線相對平滑穩(wěn)定，表明天線能夠穩(wěn)定工作。在3個陷波頻段內(nèi)，增益下降到-4.5，-3.7,-4 dBi，表明此時的天線不能正常工作，陷波結(jié)構(gòu)有效地抑制了窄帶信號的干擾。

圖11 天線增益

表2為本文提出的小型化新型多陷波超寬帶天線與參考文獻中的陷波超寬帶天線的參數(shù)與效果對比。

表2 本文與參考文獻中天線性能對比

4 結(jié) 論

本文提出了一種小型化新型多陷波超寬帶天線，使用半圓接地板的中部進行開槽的方法，擴寬了天線的工作頻帶。在改進矩形輻射貼片上刻蝕U形窄縫隙和倒U形槽，并在微帶線上引入U形窄縫隙，對INSAT波段、國際衛(wèi)星波段、部分WLAN波段以及X波段等多頻段的窄帶信號進行隔阻并最終實現(xiàn)了3.1～15.1 GHz的超寬帶特性。本文重點研究了使用不同結(jié)構(gòu)的接地板對超寬帶天線帶寬的影響以及陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對天線陷波特性的影響。優(yōu)化仿真后，將制作、測量和比較實際的天線。結(jié)果與仿真相似，表明該天線具有出色的陷波特性和穩(wěn)定的增益，可用于多種超寬帶系統(tǒng)。