一種具有雙阻帶功能的共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線設(shè)計(jì)

1 引言

自從2002年2月美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）將3.1-10.6GHz頻段劃歸超寬帶（UWB）的民用頻段⁼，UWB無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用便成為了無(wú)線通信領(lǐng)域激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。作為超寬帶系統(tǒng)的重要組成部分，超寬帶天線的設(shè)計(jì)也成為了科學(xué)界和工程界的熱門(mén)研究課題。但是在UWB頻段內(nèi)存在其他無(wú)線通信系統(tǒng)，比如3.3-3.6 GHz的WiMAX和5.15-5.825 GHz的WLAN等。

為了減小UWB系統(tǒng)與其他無(wú)線通信系統(tǒng)的相互干擾，具有陷波功能的超寬帶天線也被廣泛研究。近年來(lái)已經(jīng)有許多具有陷波功能的超寬帶天線相繼被提出，其中大量的陷波結(jié)構(gòu)都是通過(guò)在天線上開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于微帶類(lèi)超寬帶天線，還可以通過(guò)在地板開(kāi)槽或者饋線處加載諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)陷波功能。但對(duì)于共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線，大部分陷波都是通過(guò)在輻射體上開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)的，關(guān)于如何在地板實(shí)現(xiàn)陷波功能的研究并不多。

本文提出了一種具有雙阻帶功能的共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線。這兩個(gè)阻帶分別是通過(guò)在天線的地板兩端對(duì)稱(chēng)地開(kāi)兩條槽和在輻射體上開(kāi)槽來(lái)實(shí)現(xiàn)的，阻帶的中心頻率分別為5.5和3.5 GHz。實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果表明該天線在期望阻帶外的其他UWB頻段內(nèi)表現(xiàn)出良好的寬帶阻抗匹配特性與穩(wěn)定的增益，并且該天線具有良好的全向輻射特性。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 陷波超寬帶天線實(shí)物圖

2 天線設(shè)計(jì)

本文提出的具有雙阻帶功能的共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線的整體尺寸為L(zhǎng)×W =30×30 mm²。其主要輻射單元是一個(gè)半徑R=18 mm的圓片的一部分。共面波導(dǎo)傳輸線具有50om的特性阻抗，寬度為L(zhǎng)₁=4 mm,與地板之間的間隔為g=0.5 mm。兩端地板各自切除了一個(gè)三角形來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配。

該天線的兩個(gè)阻帶是通過(guò)在上述超寬帶天線的地板和輻射單元上開(kāi)槽分別實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)在兩端地板靠近饋線位置各開(kāi)一條細(xì)槽可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)阻帶，槽的長(zhǎng)度約為期望阻帶中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4。同時(shí)，在輻射體上開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)了天線的第二個(gè)阻帶，槽長(zhǎng)約為期望阻帶中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/2。通過(guò)調(diào)節(jié)各槽的長(zhǎng)度、寬度與位置可以獲得阻帶性能良好的陷波超寬帶天線。

圖3 天線的電壓駐波比特性

（a）E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

圖4 天線在3.1 GHz 的輻射方向圖

(a) E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

圖5 天線在7 GHz 的輻射方向圖

該天線被印制在相對(duì)介電常數(shù)為er=4.4，厚度為h=1.6 mm的FR4介質(zhì)板的同一側(cè)。這種共面結(jié)構(gòu)容易加工與集成，成本低廉，且與射頻電路之間的影響很小。天線的各個(gè)參數(shù)是通過(guò)使用Ansoft公司的HFSS軟件仿真優(yōu)化的結(jié)果，最優(yōu)的結(jié)果為：L×W =30×30 mm²，g=4 mm，d=0.5 mm， gap=1.3 mm，R=18 mm，W₁=9.9 mm，W₂=1.8mm，W₃=9 mm，W₄=0.7mm，L₁=7.8 mm，L₂=0.92 mm，L_slot1×W_slot1=7.8×0.22 mm²，L1_slot2=12.6 mm，L2_slot2= 10 mm，L3_slot2=1 mm，W_slot2=0.3 mm， W1_slot2= 3.7 mm。天線的實(shí)物照片如圖2所示。

3 結(jié)果與討論

天線的測(cè)量使用了安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，型號(hào)為N5230A。圖3為電壓駐波比（VSWR）的測(cè)量與仿真結(jié)果對(duì)比圖，這兩個(gè)結(jié)果吻合地很好。測(cè)量與仿真結(jié)果表明：該天線在5.15-5.825 GHz的WLAN和3.3-3.6 GHz的WiMAX兩個(gè)頻段內(nèi)均滿足VSWR > 3，而在兩個(gè)頻段外的其他UWB頻段內(nèi)基本滿足VSWR 2，從而有效抑制了UWB系統(tǒng)與這兩個(gè)通信系統(tǒng)之間的潛在干擾。

圖4-6是天線在3.1，7.0和10 GHz三個(gè)頻點(diǎn)的歸一化E面（XOZ面）和H面（YOZ面）測(cè)量仿真對(duì)比輻射方向圖。由圖可知，天線在低頻時(shí)其輻射特性與半波陣子相似，E面為一個(gè)8形，H面具有全向輻射特性。隨著頻率的增加，方向圖有一定的惡化，但是其H面仍然是接近全向的，表明該天線在整個(gè)超寬帶頻段內(nèi)具有良好的全向輻射特性。

(a) E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

圖6 天線在10 GHz 的輻射方向圖

圖7是天線的增益特性圖。在整個(gè)超寬帶頻段內(nèi)，天線增益基本穩(wěn)定在平均值為3.5 dB左右。并且在設(shè)計(jì)的兩個(gè)阻帶內(nèi)，其增益有顯著下降，在3.5和5.5 GHz兩個(gè)阻帶中心頻率的增益分別下降至-7和-4 dB，有效抑制了UWB與WLAN和WiMAX的相互影響。

圖7 天線增益圖

4 結(jié)論

本文提出了一種具有雙阻帶功能的共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線。仿真與測(cè)量結(jié)果表明，該天線實(shí)現(xiàn)了在3.1-10.6 GHz頻段內(nèi)VSWR 2的寬帶阻抗匹配，但是在期望的WLAN和WiMAX阻帶內(nèi)天線滿足VSWR > 3，有效抑制了UWB系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)的潛在干擾。在整個(gè)頻段內(nèi)，天線具有平均值約為3.5 dB的穩(wěn)定增益，并且在兩個(gè)阻帶內(nèi)增益有顯著下降。天線還具有近似全向的輻射特性，表明該天線是一種性能良好、具有實(shí)用價(jià)值的超寬帶天線。