3.4/5.5GHz雙阻帶特性的超寬帶天線設(shè)計(jì)

超寬帶通信系統(tǒng)由于具有數(shù)據(jù)傳輸率高、損耗低的特點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注。自2002年，美國聯(lián)邦通信委員會(US—FCC)批準(zhǔn)，將 3．1～10．6 GHz頻段作為超寬帶通信技術(shù)應(yīng)用以來，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究。作為超寬帶通信系統(tǒng)的一個重要的前端組成部分，超寬帶天線的設(shè)計(jì)是一個基礎(chǔ)性的引人關(guān)注的課題。在各類天線中，印刷單極子天線以其體積小、易于共型集成的特點(diǎn)表現(xiàn)出良好的寬帶特性。因此，印刷單極天線在超寬帶通信系統(tǒng) (3．1～10．6 GHz)中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，有許多其他窄帶系統(tǒng)也工作在這一頻段，比如無線局域網(wǎng)(wLAN)IEEE802．11a和 HIPERLAN／2LAN工作在5．2／5．8 GHz頻段，除此之外，在許多國家，工作在3．3～3．7 GHz的WiMAX系統(tǒng)也在超寬帶系統(tǒng)的頻段。因此，為了避免這些系統(tǒng)的相互干擾，需要在這些頻段產(chǎn)生陷波來排除干擾，以增強(qiáng)系統(tǒng)的兼容性。在特定的頻帶內(nèi)產(chǎn)生阻帶以克服干擾的頻率陷波天線已經(jīng)被大量研究，比如：在天線上采用對稱倒L型槽，圓環(huán)形槽，H型槽以及縫隙型的SRR結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生陷波。盡管如此，大部分天線僅僅克服了WLAN系統(tǒng)的干擾。在文獻(xiàn)中第一次提到了雙阻帶超寬帶天線，它可以克服3．4～3．48 GHz和5．4～5．98 GHz的頻段。然而，由于阻帶帶寬較窄，沒有完全克服WLAN和WiMAX頻段的干擾。

為了解決上述問題，提出并設(shè)計(jì)了一款緊湊的印刷單極天線，它可以同時克服WLAN和WiMAX頻段的干擾。通過調(diào)節(jié)輻射貼片上雙矩形槽的尺寸，可以方便地獲得雙阻帶特性。同時，天線具有良好的阻抗匹配特性，可以同時覆蓋2．4～2．5 GHz和超寬帶頻段。由于采用了微帶線饋電，天線易于集成和小型化。利用Ansoft-HFSS對天線進(jìn)行仿真，并詳細(xì)分析了天線尺寸參數(shù)對天線性能的影響。

1 天線設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，尺寸為37 mm×42 mm×1．5mm。

圓盤的半徑為R=10 mm。為了引入雙阻帶，在圓盤輻射單元上蝕刻了雙同心矩形槽，矩形槽的寬度T都是0．5 mm，如圖1(b)所示。矩形槽的長度在很大程度上決定了阻帶的中心頻率。外槽的尺寸為L1，L2和W1，內(nèi)槽的尺寸為LL1，LL2和W2。在內(nèi)矩形槽的兩臂上有兩個對稱枝節(jié)，其長度為Wg。同時，為了擴(kuò)展阻帶帶寬，內(nèi)矩形槽延伸到了外矩形槽兩臂的間隙之間。

微帶饋線寬度為2．6 mm，特性阻抗50 Ω。微帶線與其他器件采用SMA連接器進(jìn)行連結(jié)。采用缺陷地板結(jié)構(gòu)(DGS)可以很好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配以覆蓋2．4 GHz和UWB頻段，輻射貼片單元與地板的間隙為0．3 mm。

利用商業(yè)仿真軟件Ansoft—HFSS對天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化。優(yōu)化后的天線尺寸為L1=15 mm，L2=2 mm，W1=3．5mm，LL1=8 mm，LL2=3 mm，W=2．6 mm，Wg=1．4 mm。天線設(shè)計(jì)在1．5 mm厚的FR4介質(zhì)板上，相對介電常數(shù)為4．4。圖2是設(shè)計(jì)天線的實(shí)物圖，如圖3所示，電壓駐波比(VSWR)的測量值與仿真值吻合良好。

2 分析設(shè)計(jì)與結(jié)果

用基于有限元的電磁仿真軟件Ansoft—HFSS對天線進(jìn)行仿真，用安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的電壓駐波比。測量和仿真的電壓駐波比如圖3所示?？梢钥闯觯瑴y量和仿真結(jié)果吻合良好。阻抗帶寬(VSWR≤2)覆蓋2．3～15 GHz，完全覆蓋了2．4～2．5 GHz和超寬帶頻段，并且在3．2～3．8 GHz和5．1～5．9 GHz的頻帶上具有良好的阻帶特性。

設(shè)計(jì)中，首先研究了如圖4所示的單極子天線，它采用矩形接地板，具有良好的寬帶特性，但是體積較大為50 mm×42mm。為了減小天線尺寸，而保持其超寬帶特性，采用缺陷地板結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖6所示的文獻(xiàn)中天線和采用缺陷地板結(jié)構(gòu)天線的駐波特性，比較可以看出，文獻(xiàn)中的天線具有較好的超寬帶特性，但是采用缺陷地板結(jié)構(gòu)的天線具有更好的阻抗匹配，天線帶寬可以覆蓋2．4 GHz和整個超寬帶頻帶(3．1～10．6 GHz)，甚至可以達(dá)到15 GHz。

為了獲得阻帶特性，在圓盤單極子天線中引入矩形槽，槽的尺寸L1=15 mm，L=2 mm，W1=3．5 mm，天線的電壓駐波比隨頻率的變化情況如圖8所示，可以看出天線在WiMAX頻段(3．4～3．7 GHz)具有較好的阻帶特性。為了避免WLAN頻段(5．2／5．8 GHz)的干擾，需在超寬帶中引入雙阻帶。因此，在圓盤單極子天線的矩形槽中引入第2個矩形槽，其尺寸為LL1=8 mm，LL2=3 mm，W1=2．6 mm，Wg=1．4 mm，并且將內(nèi)槽延伸到外槽兩臂的間隙之間如圖9所示。雙矩形槽圓盤單極子天線的駐波特性隨頻率的變化情況如圖10所示，可以看出，在2．3～15 GHz的頻段內(nèi)具有良好的駐波特性，并且在WiMAX(3．2～3．8 GHz)和WLAN(5．1～5．9 GHz)頻段具有阻帶特性。

為了進(jìn)一步研究天線的結(jié)構(gòu)，對天線參數(shù)進(jìn)行了分析。阻帶特性主要由W1，Wg，LL1，W2決定，各種不同的阻帶可以通過適當(dāng)?shù)母淖冸p矩形槽的尺寸來獲得。圖11所示的天線輻射單元在不同頻率的電流分布，可以看出，第一(3．5 GHz)和第二(5．5 GHz)阻帶分別與外槽，內(nèi)槽的尺寸有關(guān)系，即外槽改變了天線低頻的電流分布狀況，形成低頻阻帶；而內(nèi)槽改變了天線高頻的電流分布，形成高頻阻帶。如圖 12所示，在其他參數(shù)不變時，隨著W1從2．5 mm增大到4．5 mm，第一阻帶想低頻移動。參數(shù)Wg，W2主要決定第二阻帶，如圖13，14所示W(wǎng)g和W2對天線性能的影響。在其他參數(shù)不變的情況下，隨著Wg和W2的減小，第二阻帶分別向低頻和高頻移動。圖15表明，LL1對天線的第二阻帶的帶寬具有重要影響。因此，雙矩形槽的尺寸對改變天線阻帶的位置和阻帶帶寬具有重要的意義。通過改變雙矩形槽的尺寸可以方便地在不同的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻帶和改變阻帶帶寬。

最后，研究了天線的遠(yuǎn)場輻射方向圖。圖16分別給出了天線在3 GHz，6 GHz，9 GHz時的遠(yuǎn)場增益方向圖，表明設(shè)計(jì)的天線在H面(yoz面)具有全向輻射特性，并且所有的方向圖變化相對較小。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)并制作了一副緊湊的印刷圓盤單極子超寬帶天線，它可以完全覆蓋2．4 GHz和超寬帶頻段，并且在WiMAX(3．2～3．8 GHz)和W1AN(5．1～5．9 GHz)頻段具有雙阻帶特性。天線的駐波特性和遠(yuǎn)場輻射方向圖表現(xiàn)出良好的特性。仿真和測量結(jié)果具有較好的一致性，吻合良好。因此，所設(shè)計(jì)的天線在超寬帶通信系統(tǒng)中具有一定的實(shí)用價值。