一种具有三陷波特性的超宽带印刷天线设计

摘要 提出了一种新型的具有三陷波特性的超宽带印刷天线。大钱形的辐射贴片和共面波导传输线馈电，可以保证在相当宽的3个频带内具有良好的阻抗匹配。回波损耗S11<-10 dB的阻抗带宽是3．1～10.6GHz，除了其中3．3～3.7 GHz的WIMAX，5．15～5．825 GHz的WIAN和7．25～8.4 GHz的X波段下行频段3个陷波频段。这些陷波的频段可以通过在天线的辐射贴片上增加长条裂缝和U形缝隙实现。加工和测试结果表明，该天线具有很好的阻抗带宽和全向辐射方向图。
关键词 超宽带天线；陷波特性；小型化；无线通信

    美国联邦通信委员会于2002年规范统一商业应用中的带宽要求为3．1～10．6 GHz，这使得超宽带技术在工业和学术界中的应用变得备受瞩目。为避免超宽带通信系统中的其他频段的相互干扰，例如工作频带内还存在诸如无线局域网等其他的通信系统，多种具有陷波特性的超宽带天线被广泛研究和设计出来。
    可以通过在超宽带天线上腐蚀不同的结构来实现陷波特性。多种结构均可实现这一功能，如在贴片上腐蚀U形和C形缝隙。然而众多设计的天线都仅覆盖了一个窄带频段，多数适用于无线局域网中5 GHz频段。还有部分天线具有双陷波特性。
    文中提出了一种带有三陷波特性的共面波导馈电的超宽带天线。辐射贴片为大钱形状，通过在其表面腐蚀U形缝隙和长条裂缝，可以获得3个陷波频段。

1 天线的设计与结构
    具有三陷波特性的超宽带天线结构图如图1所示。天线腐蚀在介电常数为4.4和厚度为1．6 mm的FR4介质板上。共面波导传输线与地板的间隔是W3、宽度是W4，特性阻抗是50 Ω。共面地板大小是L2×W2，提供了良好的阻抗匹配。天线的尺寸是36mm×30 mm×1．6 mm。为引入三陷波特性，在马蹄形天线表面蚀刻了U形缝隙和长条裂缝。上部的U形缝隙实现了WiMAX的3．3～3．7 GHz频段的陷波功能，同样的下部U形缝隙实现了7．25～8．4 GHz频段的陷波功能，而两条裂缝实现了WLAN的5．15～5．825 GHz频段的陷波功能。

    原始天线具有良好的超宽带特性，在充分考虑整体尺寸的前提下，合适地选择大钱形贴片和共面地板的大小来保证天线的阻抗匹配特性。而在贴片上面蚀刻缝隙或者裂缝，可以切断辐射贴片上的表面电流，使得缝隙或者裂缝周围的电流重新分布，形成了陷波特性。考虑在介电常数4．4时，陷波结构的长度约为陷波频率对应波长的1／4，考虑缝隙和裂缝之间的耦合，在初始值附近进行一定的优化就可得出设计天线的具体从参数。
    使用3D电磁仿真元件HFSS 11．0对设计的天线进行了仿真，经过加工调试天线的尺寸如下：L1=36mm，L2=16mm，L3=14mm，L4=15mm，L5=
17mm，L6=4．8mm，L7=11 mm，L8=6mm，L9=8．5mm，L10=8．4mm，L11=2．6mm，W1=30mm，W2=9mm，W3=0．5mm，W4=3mm，W5=0．4mm，W6=
0．4mm，W7=0．5mm，W8=2．5mm，R1=10mm。

2 结果分析
    图2给出了三陷波超宽带天线回波损耗的HFSS仿真结果图和矢量网络分析仪的测试结果图。从回波损耗可以看出超宽带天线满足通信系统中对于超宽带频带的要求，并且可以看出设计的天线有3．1～3．9 GHz，5．15～5．9 GHz和7．2～8．9 GHz的3个陷波频段。测试结果和仿真结果有着良好的吻合。

    设计的天线初始模型是没有腐蚀缝隙的大钱形单极子天线，其本身有着良好的宽频带特性和相对小的面积。为观察裂缝和缝隙的陷波功能，给出了初始天线和3个天线的回波损耗仿真结果图，这3个天线依次移除了上部的U形缝隙，垂直的长条裂缝和下部的U形缝隙。如图3所示，可以看出其各自的陷波特性。当长条裂缝或U形缝隙移除时，相应的陷波频段也移除了，并且对于另外的陷波频段没有太大的影响。

    为进一步研究陷波结构，对天线的参数进行了分析。其中上部U形缝隙的参数是长度L7，L9和宽度W7，长条裂缝的参数是长度L10和宽度W6，下部U形缝隙的参数是长度L6，L5和宽度W5。设计中发现宽度基本可以决定陷波带宽，合理地选择使得陷波带宽满足要求即可；而长度基本决定陷波的中心频率。图4给出了不同长度对于陷波频段的影响。天线的陷波频段可以通过改变裂缝或者缝隙的长度来调整，可以看出增加L9，L10或L6的长度，相应的陷波频段会向低频方向移动，并且另外的陷波频段并没有大幅变化。

    4．5，5．5和6．5 GHz的E面和H面的测试辐射方向图如图5所示。在4．5和6．5 GHz，E面方向图和单极子的辐射方向图相似，然而在5．5 GHz由于陷波特性使得E面方向图发生了部分畸变，并没有上述两个频点的方向图效果好。H面方向图接近全向，有着良好的全向辐射特性。

    最后给出了整个工作频段的峰值增益图。3个陷波频段的最小增益分剐是2．2 dBi，2．4 dBi和2．9 dBi。出现的频率也正如预期的出现在3．5 GHz，5．5 GHz和8．0 GHz处。

3 结束语
    文中提出了一种新型的带有三陷波特性的超宽带的天线，并且给出了仿真和实验结果，结果表明天线满足超宽带3．1～12 GHz频带的要求，通过在大钱形贴片上腐蚀两个长条裂缝和两个U形缝隙，使天线具有3个陷波频段，即3．4 GHz，5．5 GHz和8．0 GHz的窄带范围具有良好的陷波特性，抑制了通信系统相关频段对于UWB系统的潜在干扰。文中设计的天线在超宽带通信系统中有着良好的应用前景。