小型具有雙阻帶特性的超寬帶天線設(shè)計(jì)

隨著無線通信技術(shù)的普及，超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)技術(shù)成為無線通信領(lǐng)域中極具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景的焦點(diǎn)。2002年，美國(guó)聯(lián)邦通行委員會(huì)(FCC)批準(zhǔn)將3．1～10．6 GHz之間7．5 GHz的頻段分配給超寬帶無限通信業(yè)務(wù)使用。共面波導(dǎo)相對(duì)于常規(guī)微帶傳輸線來說，具有低色散，易加工，易于與微波電路集成無源或有源的表面貼裝元件實(shí)現(xiàn)并聯(lián)或者串聯(lián)鏈接、不需要過孔、相互間串?dāng)_小等優(yōu)點(diǎn)，并且共面波導(dǎo)的特性阻抗是由中間導(dǎo)帶寬度和縫隙之比決定，可以自由設(shè)計(jì)其尺寸。但是，考慮到在UWB頻段內(nèi)存在有其他窄帶無線通信系統(tǒng)，例如Wi-Max(3．3～3．6 GHz)，衛(wèi)星C波段(3．7～4．2 GHz)和W1AN(5．15～5．825 GHz)系統(tǒng)。為了抑制不同系統(tǒng)之間的相互干擾，具有陷波特性的超寬帶天線被廣泛研究。然而，這些文獻(xiàn)中的天線多是只能獲得單阻帶特性。

本文提出了一種具有雙阻帶特性的超寬帶天線。設(shè)計(jì)的無阻帶特性的UWB天線VSWR2的阻抗帶寬為2．58～12 GHz,，通過在輻射單元上開E型槽和在地板開一對(duì)細(xì)槽，通過調(diào)節(jié)槽的尺寸、寬度和位置實(shí)現(xiàn)覆蓋3．75 GHz處和5．5 GHz處的雙阻帶特性。實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果吻合較好。

1 天線的設(shè)計(jì)

圖1給出了文中所提出的具有陷波特性的共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線幾何模型。天線的總尺寸為34 mm×25 mm×1．5 mm，較為緊湊。共面波導(dǎo)傳輸線具有50 Ω特性阻抗，與地板間隔0．3 mm，傳輸線寬度2 mm。共面波導(dǎo)傳輸線長(zhǎng)度19．5 mm?？拷戮壍木匦钨N片為地板，半周期正弦形狀的輻射單元距離地板為gap=0．5 mm。天線制作在相對(duì)介電常數(shù)εr=4．4、厚度為1．5 mm的低耗FR-4基板上。為了實(shí)現(xiàn)中心頻率在3．75 GHz和5．5 GHz處的陷波特性，在輻射單元上開E型槽和在地板上的一對(duì)細(xì)槽，實(shí)現(xiàn)了雙阻帶特性。

3．75 GHz處的陷波特性由輻射單元上E型槽來實(shí)現(xiàn)。槽總長(zhǎng)度約為槽線3．75 GHz工作時(shí)波長(zhǎng)的1／2。通過在地板上加載一對(duì)對(duì)稱細(xì)槽，實(shí)現(xiàn)了5．5 GHz處的陷波特性。細(xì)槽距地板邊緣為W1，長(zhǎng)度L1約為期望阻帶諧振頻率對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)的1／4。

使用商用軟件Ansofi HFSS v11對(duì)天線的模型進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化，通過調(diào)節(jié)各槽的長(zhǎng)度、寬度與位置，最終實(shí)現(xiàn)了具有良好特性的雙阻帶超寬帶天線。表1給出了符合天線設(shè)計(jì)的主要變量參數(shù)組合。圖2是根據(jù)以上設(shè)計(jì)結(jié)果制作的天線模型實(shí)物圖。

2 天線特性分析

天線駐波測(cè)量使用WILTRON37269A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。圖3給出了天線電壓駐波比的測(cè)量與仿真結(jié)果比較。如圖3所示，天線在UWB頻段內(nèi)的駐波比均2，對(duì)于帶陷波結(jié)構(gòu)的超寬帶天線測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好。但測(cè)量結(jié)果較仿真結(jié)果有頻偏，這是由于介質(zhì)板的介電常數(shù)不均勻或加工誤差所造成的，而測(cè)量結(jié)果仍滿足天線設(shè)計(jì)的要求，VSWR>2的頻帶范圍在3．25～4．25 GHz和5．1～5．95 GHz的兩個(gè)頻帶內(nèi)，覆蓋了3．3～-4．2 GHz和5．15～5．825 GHz兩個(gè)頻帶范圍。

本設(shè)計(jì)對(duì)當(dāng)中對(duì)天線性能影響較重要的參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。主要分析的參數(shù)為輻射單元上的E型槽內(nèi)半徑Rin和地板上的細(xì)槽長(zhǎng)度L1分別如圖4和圖5所示?？梢钥闯鯮in和L1對(duì)阻帶頻率位置的控制作用，說明通過調(diào)節(jié)槽長(zhǎng)度可以得到所需的隔離頻帶。

圖6給出了天線在3．2 GHz，4．5 GHz和7 GHz這3個(gè)頻點(diǎn)的E面(xoz面)和H面(yoz面)仿真遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。圖7給出了該天線在UWB頻率范圍內(nèi)的仿真增益，在阻帶范圍內(nèi)天線的增益明顯下降，體現(xiàn)了天線的阻帶特性。

3 結(jié)束語

提出了一種新型的具有雙阻帶特性的超寬帶天線，制作出實(shí)物天線并成功驗(yàn)證了天線的超寬帶和陷波特性。并在3．1～10．6 GHz的頻帶內(nèi)滿足VSWR2的寬帶工作要求，而在期望的中心頻率為3．75 GHz和5．5 GHz的頻帶范圍內(nèi)具有良好的陷波特性。該天線的尺寸較小，具有便于電路集成的平面印刷結(jié)構(gòu)，因此是一種性能較好、具有實(shí)用價(jià)值的帶陷波超寬帶天線。