一种双陷波超宽带单极子天线的设计

摘要 提出了一种新型双陷波特性的超宽带单极子天线。通过在介质基板上添加锥形辐射贴片，天线可以覆盖超宽带通信频段。在辐射贴片上引入上、下两个锥形缝隙结构，可以实现3.5 GHz、5.5 GHz的双陷波特性。天线实测模型电压驻波比<2的阻抗带宽是2.56～10.61GHz，其中3.18～3.76 GHz和4.4～5.75 GHz具有陷波特性。测试表明，天线在工作频带内具有全向辐射特性。

20世纪90年代，超宽带技术已经应用于军事领域。随着短距离无线通信的发展，2002年美国联邦通信委员会划分3.1～10.6 GHz频段用于商用的超宽带通信系统，从此uWB技术进入了高速发展时期。

由于在超宽带的频率范围与现有的无线通信系统频率相重叠如：WIMAX(3.4～3.6GHz)、WIAN(2.4～2.484 GHz，5.15～5.35GHz，5.725～5.825 GHz)、HIPERLAN/2(5.15～5.35 GHz，5.47～5.725 GHz)等。为了避免超宽带通信系统中的其他频段的相互干扰，具有陷波特性的超宽带天线得到了广泛的设计与研究。

近年来，天线工程师开始将谐振结构直接蚀刻在超宽带天线的辐射贴片上或贴片周围，使天线在干扰频段内具有陷波特性。通常使用的陷波结构为“C”或“U”形缝隙或金属条带。然而很多设计不仅结构复杂而且大部分只是单陷波特性。

本文提出了一种具有双陷波特性的微带馈电的超宽带天线。通过在锥形辐射贴片上腐蚀两个锥形缝隙，可以使天线在3.5 GHz和5.5 GHz获得陷波特性。测试结果表明天线电压驻波比小于2的阻抗带宽是2.56～10.61 GHz，并且在带内具有较好的双陷波和全向辐射特性。

1 天线的设计与结构

图1给出了采用锥形缝隙的双陷波超宽带印刷天线的结构图。天线蚀刻在相对介电常数εr为4.4，厚度H为1.52 mm的FR4介质基板上，整体尺寸为35 mm×30 mm，地板大小为30 mm×13.5 mm。馈电部分是50 Ω的微带线，其中微带线宽度为2 mm，并与SMA型同轴连接器相连。天线正面是锥形的辐射贴片，选取合适的尺寸，可以使天线得到超宽带性能。通过在辐射贴片上引入上、下两个锥形缝隙，可以使天线在3.5 GHz和5.5 GHz处实现双陷波特性。

为分析改进结构对天线电性能的影响，采用3D电磁仿真软件Ansoft HFSS V13对设计的天线进行了仿真优化分析。经过仿真实验及加工调试后确定的天线尺寸如下：L=35 mm，L1=15 mm，L2=6.5 mm，L3=5.5 mm，L4=1.5 mm，L5=13.5 mm，W=30 mm，W1=2 mm，W2=4 mm，W3= 29 mm，S1=2 mm，S2=1.5 mm，H=1.52 mm。上下两个缝隙的长度分别为p1=25 mm，p2=16 mm。

2 结果分析

图2给出了天线在频率为3.5 GHz、5.5 GHz时的仿真表面电流分布。可以看出，天线工作在3.5 GHz时，表面电流主要集中在上面的锥形缝隙周围;工作在5.5 GHz时，表面电流主要集中在下面的锥形缝隙周围。此时缝隙上下两侧的电流方向相反，天线工作于准传输线模式。由于缝隙长度约为1/4波长，此模式将缝隙上侧的高阻抗转变为下侧的零阻抗，导致天线的阻抗失配，造成天线不能向外辐射，也就形成了天线的陷波特性。

图3和图4分别给出了缝隙长度p1和p2取不同值时，天线电压驻波比的仿真结果。如图所示，可以看出调节锥形缝隙的长度可以改变陷波频带的位置，且基本不会影响其他的工作频带。

利用矢量网络分析仪Agilent—E5071B对加工后的天线模型进行了测试，图5给出了有无锥形缝隙时，天线电压驻波比的仿真和实测结果。可以看出，天线电压驻波比的实测曲线与仿真结果基本吻合，在频段内的差异可能是由于加工误差和测量环境引起的。引入锥形缝隙后，天线明显产生两个陷波频带(3.18～3.76 GHz和4.4～5.75 GHz)。实测结果表明，天线模型的电压驻波比<2的工作频带为2.56～10.61 GHz，满足了UWB通信系统对工作带宽的基本要求。

图6分别给出了3.1 GHz、4 GHz和8 GHz频点处的实测远场方向图。在y—z平面内(E面)，天线辐射方向图具有类似单极子天线的方向图;在z-y面(H面)内，天线辐射方向图近似全向。

图7给出了天线在工作频带内的实测增益曲线。如图所示，天线增益在3.5 GHz、5.5 GHz频带内有明显下降，说明该天线具有良好的双陷波特性。

3 结束语

本文提出了一种新型的用于UWB通信系统的双陷波超宽带印刷单极子天线。利用改进的锥形辐射贴片和锥形缝隙，使得天线形成带有双陷波特性的超宽带天线。实测结果表明，天线满足UWB通信的阻抗带宽，并具有良好的双陷波特性和全向辐射特性。因此，该天线在无线超频带通信系统中有较好的应用前景。