一种采用T形缝的超宽带陷波天线

胡 伟， 张建华， 马 亮

（1.电子工程学院信息工程系，安徽合肥 230037；2.61251部队，河北秦皇岛 066102）

自从2002年美国通信委员会（US－FCC）将3.1～10.6 GHz的频带划为超宽带（UWB）商业用途后，超宽带系统已经越来越具有吸引力，许多新涌现出的超短波通信系统都工作在此频段内［1］。采用超宽带通信相对于现有的无线通信标准来说具有更高的数据传输速率，所以，设计出在收发设备之间接受和传送信号，满足通信要求的超宽带天线已成必然趋势。

宽带平面单极天线由于其宽阻抗带宽、结构简单及良好的辐射特性［2］引起了不少研究人员的关注，但是随着集成电路的快速发展，此类天线由于其较大的金属底板，不能适应通信系统的小型化要求。为了减小尺寸，一系列的采用微带线或共面波导馈电的平面单极天线应运而生［3－6］。

由于电磁信号在传播过程中会对其他通信设备产生干扰，所以在室内短程通信的超宽带天线就要防止干扰别的设备或被别的设备干扰，其中一个要避免的就是无线局域网（WLAN，工作频率在5.0～6.0 GHz范围内），因此产生了具有陷波功能的超宽带天线［7－8］。当前有许多种产生陷波的方法，最常见的是在贴片上刻缝，如U形缝［9］、弧形缝［10］、一字形缝［11］等。另一种方法是先在贴片上刻一个大缝，然后在里面植入一个小贴片以达到在要求的频段LC谐振的效果［12］。还有一种方法是在贴片或底板附近放置寄生金属贴片以实现在特定频段内具有滤波的功能［13］。

本文提出了一种利用微带线馈电的超宽带陷波天线，首先将矩形贴片改进成超宽带天线，然后采用了一种新的陷波技术，通过在贴片上刻“T”形缝以达到在5.0～6.0 GHz实现陷波的效果。该天线具有35 mm×35 mm×1 mm的小尺寸，同时覆盖整个3.1～10.6 GHz频段，具有良好的阻抗特性和辐射特性，实现了天线小型化的目标。

1 天线结构设计

图1所示为本文所提出的具有陷波特性的微带线馈电的超宽带天线几何模型。

图1 天线的几何模型

该天线刻制在聚四氟乙烯基板上，基板的尺寸为W×L×h＝35 mm×35 mm×1 mm，相对介电常数εr＝4.4，损耗正切tanδ＝0.02。该天线包括1个开凹形槽的底板、1个由矩形改进而来的多边形贴片，以及为了达到陷波效果而刻的“T”形缝。为了使微带线特性阻抗达到与50Ω匹配，其宽度设定为t＝2 mm。通过用Ansoft HFSS软件仿真及优化，确定了天线比较优良的尺寸，a＝6 mm，b＝1 mm，LS＝2 mm，WS＝9 mm，Lg＝18 mm；微带线长度Lf＝16.5 mm，Ln＝Wn＝4.5 mm；缝隙宽度W0＝0.4 mm。同时按照上述尺寸将天线在Prot S62型电路板雕刻机上制作成实物，如图2所示，左右两副天线分别为无陷波功能的超宽带天线和具有陷波功能的超宽带天线。

将其在Agilent N5230A矢量网络分析仪上测量的结果与仿真结果作了比较，如图3所示，由于机器刀具的的雕刻深度控制、SMA馈电头的焊接等因素的影响，再加上贴片和底板会受到不同程度的氧化，测量曲线与仿真结果存在一定误差，但达到了预期的设计目的，符合设计要求。

图2 天线的实物加工图

图3 天线的性能测量

2 天线特性分析

在天线的设计中，贴片和底板的形状与尺寸对天线性能的影响是比较明显的，本文就是先将矩形贴片设计成一个多边形结构，改善其低频特性，再将矩形底板设计成一个具有凹形槽的结构，提高其高频特性从而改善了天线的宽带特性，使其具有超宽带性能，仿真结果如图4所示。

图4 贴片与底板对天线性能的影响

对于天线的陷波特性，其LC谐振的中心频率和频带宽度由贴片上缝隙的长度和宽度决定。首先在Ln＝Mn的情况下改变Ln＋Mn的长度，可以得到不同陷波频段，如图5a所示。

图5b所示为不同Ln、Mn对应的S11曲线，可以看出在确定陷波频段对应的缝隙长度后，若Ln与Mn之间的差值小于1 mm，是不会影响天线陷波功能的。所以，将缝隙对折后，既保证了要求的陷波频段，又防止了缝隙的长度超过贴片的尺寸，对于天线在低频段设计陷波具有一定意义。

图5 缝隙长度对陷波频段的影响

图6所示为缝隙宽度W0分别取0.1、0.4、0.9 mm时天线的陷波特性。由图6中可以看出随着缝隙宽度的增加，天线陷波的幅值和中心频率都受到其影响，而产生陷波的频带宽度逐渐增大。

图6 缝隙宽度对陷波宽度的影响

缝隙长度与陷波频段的关系，见表1所列。从表1中可以看出陷波的中心频率对应的波长与缝隙长度的关系，可由（1）式表示：

其中，c为真空中的光速；fnotch为陷波频段的中心频率；εe为介质的有效介电常数，采用（2）式计算［14］：

其中，εr为相对介电常数；Wt为贴片宽度；h为介质厚度。

表1 缝隙长度与陷波频段的关系

图7所示为该天线在可工作频段4.8、7.0 GHz时E面（XOY面）和H面（YOZ面）的归一化方向图，由图7可知，在H面该天线有着全向辐射的特性，与单极子的辐射特性相似。

图7 天线辐射方向图

图8所示为天线在3～11 GHz频段内的工作效率，可以看出，该天线在5～6 GHz的工作效率有明显的下陷，而其他频段的工作效率是比较高的，在0.9～1.0之间。

图8 天线工作效率图

3 结束语

本文通过刻制“T”形缝设计出一种新型的超宽带陷波天线，讨论了缝隙的宽度和长度对陷波性能的影响，并制作出了实物。仿真和测量结果表明该天线达到了设计的要求，在WLAN内实现了带阻功能，为室内超宽带无线短程通信提供了可能。

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