一种小型双陷波超宽带天线的设计

摘要 设计了一种小型双阻带的超宽带天线。采用由两个半椭圆和一个长条矩形复合的一种新型地板结构，从而实现了超宽带天线小型化。通过开双U型缝隙实现了双阻带特性，阻带带宽分别是540 MHz和610 MHz。天线实物测量结果表明，天线驻波比<2的带宽为2．7～12 GHz，在整个频段内天线增益较高，同时方向图全向特性良好。天线的测量结果和仿真结果有较好的一致性。
关键词 超宽带；复合地板；双陷波特性；天线小型化

    随着室内高速无线数据接入技术的发展，要求未来的无线通信系统具有更大的数据吞吐量。特别是IEEE802．15．3a标准提出分配3．1～10．6 GHz频段给超宽带使用后，超宽带通信系统越来越受到重视。考虑到UWB天线不仅要求天线体积小、良好的辐射效率、全向覆盖特性，同时还要避免和其他通信系统相互干扰，主要重叠的通讯频段有WLAN(5．2～5．8 GHz)、WIMAX(3．3～3．6 GHz)，和C波段(3．7～4．2GHz)雷达通信系统，因此能否实现小型化UWB天线及双阻带性能已成为研究重点。
    微带天线以其剖面薄、体积小、重量轻、可与载体表面相共形、易集成、成本低、容易制作等优点备受关注，常见的小型UWB天线主要包括印刷型单极子和宽缝隙天线。从上述背景出发，文中设计了一种双U缝隙的UWB天线，带宽2．9～12．4 GHz(VSWR<2)，在满足天线性能的基础上实现了双阻带功能540 MHz(3．28～3．82 GHz)和610 MHz(5．17～5．78 GHz)。在天线的设计中，地板采用复合结构，两个半椭圆通过一个矩形长条连接，通过调节矩形宽度W1可达到高频匹配，实现设计天线的小型化，这种小地板在一定程度上降低了雷达散射截面；辐射板采用圆形辐射板CDM，通过调节其半径可以实现低频段的阻抗匹配；辐射板上的双U缝隙的作用是产生双阻带，避免与其他通讯系统的相互干扰。
    在经验的基础上进行了大量仿真实验，获得天线的具体结果参数。最后通过实物测量，显示天线性能基本得到满足，因此UWB天线具有实用价值。

1 天线结构设计
    天线的具体尺寸结构如图1所示。基于圆形辐射板的超宽带天线理论已被广泛引用。本文设计的超宽带天线辐射板采用圆形辐射板，在天线设计中采用了新型的复合地板，它由两个半椭圆通过一个矩形长条连接而成，通过调节复合地板的宽度W1、椭圆主半径和长短轴比，可以实现高频段的阻抗匹配。天线的双陷波特性是通过在馈线和辐射板上设计双U型缝隙来实现，其中一个U型缝隙开在了馈线和辐射板之间，在改善天线的驻波比特性的同时实现了陷波特性。

    圆形辐射板(半径r)和微带馈线印制在FR4介质板的同一面，FR4介质板厚度h=0．8 mm，相对介电常数εr=4．4，尺寸为L×W。馈线宽度设计为Wf=5 mm与50 Ω端口进行匹配。介质另一面印制了一个宽度W1=0．1 mm的矩形和两个半椭圆，它的主半径3．7mm，长短轴比为2．5。图1中，单位为mm，W=20，L=31，R=10，Wf=5，W1=0．1，W2=8，W3=3．4，L1=10，L2=7．8，s1=1，s2=0．8，s3=0．6、h=1。
    新设计方法的优点是，在固定介质板尺寸的前提下，不改变天线的宽度W，只改变W1就能实现地板电流长度的改变，因此这个起连接作用的矩形长条，在电路中就相当于一个阻抗变换器。在天线设计中为实现天线的小型化，可以通过调节地板的W1使得天线的驻波比特性达到设计要求。设计天线的宽度W=20 mm情况下，W1尺寸变化对天线驻波比的影响如图2所示，从仿真结果和可实现的角度考虑确定了W1=0．1mm，同时实现了天线小型化天线的设计。

    天线采用在馈线和辐射板上设计双U型缝隙实现了双陷波特性。以往文献中设计的天线缝隙都是开在辐射板上，而在文中，其中一个U型缝隙开在了辐射板和馈线的连接部分，它的设计特点在于不仅可以产生谐振实现陷波，同时改善了天线的驻波比特性。图3给出了天线上双U型缝隙开槽前后对天线驻波比的影响。从图中可以看出，在天线上开双U型缝隙后，天线不仅实现了双陷波特性，同时天线的带宽达到2．7～12 GHz，完全覆盖了超宽带所规定的频段3．0～10．6 GHz。腐蚀在馈线和辐射板上的U型缝隙尺寸分别设为S1，S2和S3，具体可见图1所示，其大小直接影响阻带带宽，仿真优化后S1、S2和S3最终取值分别是1．0mm，0．8mm和0．6mm。

    双U型缝隙的长度L1、L2直接影响陷波中心谐振频率，图4给出了L1、L2变化时天线的驻波比特性。从图中看出，长度变短时，陷波中心谐振频率升高，否则相反。通过分析可知，缝隙的本质作用相当于1／2波长谐振器。在此基础上，通过优化最终确定了L1=10mm、L2=7.8mm。

2 结果分析
    天线仿真使用Ansoft公司的高频仿真软件HFSS11，天线驻波比测量使用Aglent E8363B网络分析仪。驻波比的仿真结果与测量结果的比较如图5所示。测量结果表明整个天线的带宽为2．7～12 GHz，满足UWB的工作带宽要求。并且实现了双阻带特性，两个阻带带宽分别为3．3～4．2 GHz和5．15～6．1 GHz。仿真和测量结果在低频吻合，高频段时测量的驻波比结果稍大于仿真的结果，两个阻带稍有右移，这是由加工的精确度和介质材料的介电常数不均匀引起的，这种误差在应用中是允许的。

    为考察天线在整个工作频段内的辐射特性，测量了工作频率为3GHz，6GHz和9 GHz时的天线的E面和H面的辐射方向图，具体如图6所示。天线的H面辐射方向图具有良好全向特性，不圆度不超过8 dB。整个频段内其辐射方向图的形状能保持稳定且具有较好的不圆度，满足超宽带通信系统对天线辐射特性的要求。

    天线在整个工作频段内的增益特性如图7所示。从图中可以看出，该天线在整个频段内具有比较平坦的增益，增益基本在3～6 dBi之间，在3．6 GHz和5．7 GHz频率附近，增益下降至-12 dBi和-9．6 dBi，明显出现了双陷波特性。综合阻抗带宽、方向图带宽和增益带宽的仿真结果和实际测量结果，可见这种天线具有小型超宽带特性的同时具有两个阻带，是一种性能良好的抗干扰UWB天线。

3 结束语
    文中提出了一种新型小型化超宽带天线。小型化是在固定天线宽度的情况下改变地板实现的；陷波特性是通过在馈线和辐射板上开两个U型缝隙，引入半波长谐振结构而获得的，从而该天线在实现小型化的同时还具有双陷波特性。研究结果显示，天线的仿真数据和实测数据都有较好的一致性，在2．9～12 GHz的频段范围内具有良好的阻抗特性和辐射方向特性，在3．3～4．2 GHz和5．15～6．1 GHz范围内具有陷波特性，因此这种天线是一种具有实用价值的小型化超宽带天线。