張勇

廣東工業大學 物理與光電工程學院, 廣東 廣州510006

　　摘要：提出了一種基于C/U形槽、具有雙陷波特性的平面超寬帶單極子印制天線。其天線的組成部分包括橢圓球拍形輻射貼片、微帶饋電線和矩形地板。通過在球拍形輻射貼片蝕刻C形槽、饋電線蝕刻U形槽的方法，使天線在WiMAX（33~37 GHz）和WLAN（515~5825 GHz）頻段內具有雙陷波性能。仿真和測量結果表明，這種新型天線在通頻帶(25~106 GHz)內電壓駐波比小于2，在29~39 GHz和49~60 GHz兩個頻段內電壓駐波比大于5，阻帶的頻率可通過蝕刻槽的長、寬來調節。該天線的測試結果與仿真結果吻合良好，且尺寸小巧、結構簡單、成本低，可應用于超寬帶通信系統。

　　關鍵詞：超寬帶天線；雙陷波；單極子天線；阻帶

0引言

　　隨著高速無線傳輸技術的發展，特別是美國聯邦通信委員會(Federal Communications Committee)在2002年宣布將31~106 GHz的通信頻段劃歸為超寬帶（UltraWideband）商業頻段［1］，超寬帶天線作為UWB系統的重要組成部分，因其具有極寬的頻帶、良好的全輻射特性、成本低等優點逐漸成為近年來研究的熱點［2］。但是,隨著智能手機和平板電腦等一系列智能移動終端的不斷研究和普及，無線局域網（WirelessLocalAreaNetwork, WLAN）的應用也越來越廣泛［3］，其頻段（515~5825 GHz）正被超寬帶天線的工作頻段所覆蓋；同時全球微波互聯接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX,頻段為34~36 GHz）［4］也在UWB天線的頻帶范圍內。因此，其在上述窄帶無線通信系統工作頻帶內反射系數較大，即具有陷波功能，從而能夠抑制與超寬帶系統之間的潛在干擾，使超寬帶陷波天線逐漸被廣泛研究和發展。

　　超寬帶陷波天線理論首先由SCHANTZ H G等人［5］于2003年提出，為了實現雙陷波特性所采用的多種結構［67］等，添加C形寄生元素［8］，開口諧振（SplitRingResonator）［9］，在輻射貼片或地板上蝕刻U形槽和E形槽［1012］，電磁帶隙結構（Electromagnetic Band Gap Structures）［1314］。但是，單個共振結構也可以產生多重陷波功能，不足的是這種天線的尺寸較大（50 mm×80 mm［15］），設計復雜，成本也較高。

　　因此，本文設計了一種結構新穎、簡單且尺寸較小的平面超寬帶陷波天線，使用在球拍形輻射貼片上蝕刻一個C形槽和在微帶饋電線上蝕刻一個U形槽的方法，來產生滿足WiMAX（33~37 GHz）和WLAN（515~5825 GHz）頻段的雙陷波特性；并且，可以通過改變蝕刻槽的長、寬等參數來調整雙陷波頻帶。

1天線的結構和設計原理

　　圖1為該天線的結構示意圖。天線介質基板的尺寸為36 mm×36 mm×16 mm，相對介電常數為44，損耗角正切tanδ=002。天線的輻射貼片由特性阻抗值為50 Ω，長為14 mm的微帶線饋電。WiMAX和WLAN的陷波頻段能夠由下列兩個公式計算得出：

　　fWLAN-notch=c/B2(εr+1)（1）

　　fWiMAX-notch=c/2S2(εr+1)（2）

　　c代表真空中的光速，εr表示相對介電常數，B=2L1+2W1、S=S2+S3+S4+S5+S6+S7+S8，L1、L2、L3、W1和Z3分別是C形槽中矩形條和圓弧槽的長、寬度，S1表示C形槽中橫向矩形條的寬度，S2~S8和Z1則分別代表饋電線上U形槽長、寬。本文選擇商業仿真軟件HFSS 150進行天線尺寸參數的優化設計。超寬帶天線以及在天線上蝕刻的C形槽和U形槽的最優尺寸如下所示：a=10 mm， b=8 mm， L= 14 mm， Z1=029 mm， Z2=471 mm， Z3=076 mm， L1=775 mm， L2=679 mm， L3=725 mm， L4=456 mm， W1=65 mm， S1=06 mm， S2=061 mm， S3=23 mm， S4=043 mm， S5=12 mm， S6=06 mm， S7=38 mm， S8=028 mm， Wgnd=125 mm， Lgnd=36 mm。

2天線的陷波特性研究

　　使用商業仿真軟件HFSS 150對影響天線陷波性能的關鍵參數包括C形槽長度L1和W1以及U形槽的長、寬度S2、S3、S6、S7進行仿真驗證，以便更加詳細地說明輻射體上蝕刻C形槽和饋電線上蝕刻U形槽的尺寸參數對該天線陷波特性的影響規律。

　　加入C形槽和U形槽前后天線的仿真結果對比圖如圖2所示。可見，該天線在34~37 GHz和53~58 GHz兩個頻段具有良好的陷波特性。

　　從圖3中可以看出，輻射體上蝕刻的C形槽使得天線在WiMAX頻段反射系數增大，產生陷波特性。圖3（a）表明，C形槽的長度L1越長，相應陷波中心頻率越高，電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio)也增大，但陷波頻帶也擴大。圖3（b）則表明隨著弧形槽長度W1的增大，天線的第一個陷波頻段逐漸向低頻段平移，電壓駐波比也有所增大。因此，可以通過調節L1、W1來實現不同頻段上的陷波功能。

　　圖4表示U形槽的尺寸參數對天線在WLAN頻段電壓駐波比的影響。從圖4可以看出，隨著微帶饋電線上的U形槽的參數S2、S6和S7的增大，天線的第二個陷波頻段的中心頻率逐漸向低頻段平移。圖4（b）表明隨著U形槽的參數S3的增大，第二個陷波頻段的中心頻率逐漸向高頻移動。圖3C形槽參數對天線電壓駐波比的影響

　　因此，可以調節參數S2、S3、S6和S7來達到所需要抑制的頻率點，從而優化天線高頻端的駐波特性。

　　從圖3和圖4可得，該天線中單一C形槽或U形槽物理尺寸的變化沒有使兩個槽同時存在時所產生的兩個陷波頻段發生較大的偏移，這兩個陷波頻段具有較高的隔離度。因此，可以通過調節C形槽和U形槽的具體尺寸來實現抑制超寬帶通信頻帶內兩個窄帶通信系統（WiMAX和WLAN）頻率點干擾信號的目的，這大大提升了該天線設計的靈活性和使用需求。

3天線的實物測量結果和分析

　　基于圖1所示天線的結構，對該天線進行了實物制作，圖5為該超寬帶陷波天線的實物照片。利用安捷倫公司型號為E5071C的矢量網絡分析儀(Vector Network Analyzer)對天線的電壓駐波比進行實際測量，并與HFSS 150的仿真結果進行對比，對比結果如圖6所示。

　　從圖6可以看出，該天線在頻段275~1098 GHz內電壓駐波比小于2，符合超寬帶天線的工作頻段。其在29~39 GHz和49~60 GHz兩個頻段內的電壓駐波比大于5，具有陷波特性。且這兩個陷波頻段包含了WiMAX 33~37 GHz 和WLAN 515~5825 GHz頻段，能夠有效抑制這兩個工作頻段的干擾。從圖（6）中可以得出，該天線的軟件仿真與實物測量結果基本吻合，但在WLAN窄帶通信系統頻帶處存在一定的誤差。造成誤差的原因可能是蝕刻C/U形槽和剪裁天線基板（FR4）過程中的加工誤差以及SMA高頻同軸接頭的焊接問題等其他客觀因素。

　　圖7和圖8分別表示超寬帶陷波天線在33 GHz和55 GHz這兩個頻率點得到的平面和三維歸一化輻射方向圖。由圖可得，該天線在Ｅ面（yoz面）近似于“８”字形，類似于偶極子天線，而在Ｈ面（xoz面）的輻射方向圖則表明天線在整個超寬帶工作頻帶內具有近乎等幅和全向，符合超寬帶天線在工作帶寬內輻射方向一致性的要求。

　　為了更好地說明所述天線中C/U形狀槽的輻射原理，對在不同頻率下的電流分布進行模擬仿真。如圖9所示，選取33 GHz和55 GHz這兩個頻率點，進行天線表面輻射體上電流分布的模擬仿真?？梢郧宄乜吹?，天線表面的電流分布主要集中在C/U形槽的中下部，而在輻射貼片上的電流是微弱的。因此，可以表明，正是因為這種C/U形槽使得天線在33 GHz和55 GHz左右的頻帶輻射效率降低，呈現較大的反射系數，從而產生了所需的陷波特性。

4結論

　　文中設計了一種新穎的平面超寬帶陷波天線，與參考文獻相比，該天線尺寸較小，結構簡單，具有便于電路集成和生產的平面印制結構。通過在天線的球拍形輻射貼片上蝕刻C形槽和在微帶饋電線上蝕刻U形槽的方法，實現了抑制WiMAX和WLAN這兩個窄帶無線通信系統與UWB系統之間的潛在干擾的功能。使用商業電磁仿真軟件HFSS 150論證了輻射貼片上C形槽和微帶饋電線上U形槽的尺寸參數對天線陷波特性的影響規律，并實際制作和測量了該款天線，其實物測量的結果與軟件仿真基本一致。該天線同時具有成本低、性能穩定、工程實用價值高以及在極寬的頻帶具有良好的等幅、全向輻射特性，因此可作為UWB系統中超寬帶陷波天線的設計方案。

參考文獻

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