新型小尺寸双陷波超宽带天线设计

曹新宇 张金玲 杨虹蓁

（1.北京邮电大学电子工程学院，北京100876；2.北华航天工业学院电子工程系，河北 廊坊065000）

引 言

超宽带无线电技术最初主要是用于雷达、准确定位等领域.2002年，美国联邦通信委员会通过了允许超宽带技术用于民用化的规范，并将3.1～10.6GHz的频率范围分配给通信系统和测量系统使用.超宽带天线与窄带天线的本质区别在于，它是通过发射和接收时间为纳秒级的窄脉冲来进行通信的.该技术是通过提高信道的带宽进一步来提高信道容量的，信道带宽可以达到数个GHz.正因为如此，超宽带技术拥有窄带技术无法比拟的优点，非常适合用于短距离无线通信［1-2］.

由于超宽带（Ultra-Wideband，UWB）无线系统与其他无线系统共享频率资源，在重叠频段系统间信号彼此将形成干扰，如在5.1～5.8GHz频段，与无线局域网络（Wireless Local Area Networks，WLAN）会产生同频段干扰.为避免可能造成的信号误码，最有效的办法就是设计具有阻带滤波特性的超宽带天线，使其在它系统使用频段上形成信号抑制，从而降低系统间干扰，因此具有阻带特性的UWB天线近年来成为了研究热点.同时，为了拓展超宽带天线的应用，方便集成化，对天线的尺寸和结构的要求也相当苛刻.小型化和平面化的设计要求，决定了天线设计和加工的成本及难度，间接影响了天线的应用场合和领域，因此也是一个重要的设计考量.

针对上述超宽带天线的频段陷波和小型化要求，设计了一款小型化平面双陷波超宽带天线［3］.

1 天线结构设计

常见的小型UWB天线主要包括印刷型单极子和宽缝隙天线［4］.按照馈电方式的不同，可以将超宽带天线分为三类：同轴馈电超宽带天线、共面波导馈电超宽带天线、微带线馈电超宽带天线.

共面波导和微带线馈电结构的超宽带天线，由于它们均体积小、剖面尺寸小，易于系统集成，而且改变接地的形状能得到不同的频段效应，因此这两类结构得到了人们的青睐.

当然微带线馈电与共面波导馈电方式也有差别，微带线馈电的天线在介质板的上下两面都有金属片，背面的金属既可作为微带线的接地板，同时也起到了一定的电磁兼容效果.

根据上述特点，本文设计采用了印刷型单极子微带线馈电超宽带天线结构.为了满足宽带频谱要求，在传统的单极矩形天线的基础上，采用斜切角和地板开槽技术，设计出频段覆盖3.1～10.6GHz完整频段的超宽带天线.

对于平面单极天线而言，它的尺寸大小主要取决于低频值，为使驻波比小于2，可以用圆柱体侧面展开尺寸近似地给予估算.下面给出圆柱体的估算公式：

式中：L为估算圆柱高；r为圆柱底面半径；λ为低频端对应的波长，mm；f为低频端对应的频率，GHz.当考虑馈线地板与天线的间隙g时，选用公式（3）.

通过上面的估算公式，可以得到矩形单极天线的初始尺寸，这里选取的矩形贴片尺寸为22mm×16mm，在该初始尺寸基础上，加以参数优化和斜切角技术处理，完成超宽带天线设计.该天线印制在相对介电常数为2.2，厚度为1mm的聚四氟乙烯材料上，图1给出了超宽带天线设计的正反面结构图.

图1 超宽带天线结构图（左为正面，右为反面）

2 陷波结构设计

超宽带陷波功能的实现手段大致可划分为两类：槽线法和寄生贴片法.实现陷波特性的主要原理在于将槽线和寄生贴片等效为谐振器，并且使要陷波的频点产生谐振［5］.

通过设计优化，发现馈电间隙对天线性能影响较大.馈电间隙减小会增大介质上表面的辐射贴片与下表面的微带线地板之间的电容性，从而影响辐射频段.通过参数优化选定在馈电间隙为1mm时，频段和匹配效果最佳.图2给出了所设计天线的回波损耗曲线.从图2可以看出在3.1～10.6GHz频段，损耗小于-10dB，且传输参数比较平滑，很好地满足了超宽带天线的频段要求.

比较两种实现手段，槽线法更容易分析和估算，且性能更加可靠，在设计中也更容易优化和调整.设计中槽线长度可由下式估算：

图2 超宽带天线回波损耗曲线

本设计选用U形槽槽线法构造半波长谐振器，选在无线局域网5.15～5.825GHz和全球微波互联网3.4～3.6GHz两个应用频段产生陷波，形成信号的抑制，使各系统工作信号频段隔离，不受彼此信号干扰，实现信号正常传输和接收.为了确保系统间信号的有效隔离，这里选择略展宽的陷波频段，以形成保护间隙，设计在3.3～3.8GHz和5.0～5.9 GHz频段实现陷波.通过对所设计的超宽带天线电流仿真分析，得知电流能量主要集中在贴片纵向的中部，因此在此开槽谐振效果明显.设计采用了层叠的U形槽线，在限定频段实现陷波功能.图3给出了陷波天线设计结构图.

图3 超宽带双陷波天线结构图

通过分析仿真验证了在层叠槽线间隔不小于2mm时，陷波槽线彼此之间影响可忽略.图4给出了外层槽线尺寸长度参数L2优化曲线图.由优化曲线图再次验证了调整3.5GHz陷波槽线参数时，对5.5GHz陷波频段影响甚微.此层叠的槽线布局进一步保证了天线小型化和多陷波特性的设计要求.

图4 陷波槽线参数L2优化曲线图

上述为陷波天线的结构设计过程，在分析中，根据超宽带性能指标要求，对结构参数进行了全面优化，表1列出了天线优化结构参数.

表1 陷波天线设计优化结构参数

3 性能参数分析

采用HFSS设计仿真软件，对天线结构进行建模，选取聚四氟乙烯介质基板，建立了30mm×18 mm×1mm小尺寸陷波天线，对超宽带陷波天线重要性能参数分析和仿真，给出了分析结果曲线，如图5、6所示.

从图5可以看出，天线在3.1～10.6GHz的超宽带频段中，除3.3～3.9GHz和5.0～5.9GHz频段，实现了超宽带天线的设计要求，回波损耗不大于-10dB，驻波比小于2，在陷波频段损耗平均有7 dB的增长，产生了很好的陷波抑制作用.

图6给出了天线在3、6、9GHz频点处的远场E和H面辐射图.从图6可以看出该天线在E面辐射方向图近似偶极子，在H面辐射近似全向辐射，虽然在9GHz处方向图略有恶化，H面辐射场强也有所减弱，但辐射强度仍满足超宽带天线通信的要求.

图5 双陷波天线回波损耗图

图6 超宽带陷波天线辐射场强图

4 结 论

通过分析和研究，设计了一种小尺寸超宽带双陷波天线，通过层叠槽线方式，在选定的3.5GHz和5.5GHz两中心频点所在频段产生陷波，通过设计和仿真验证了所设计天线具有较好的陷波效果，层叠式的槽线有利于减小天线的结构尺寸，并且为多陷波天线的小型化设计提供了方便.同时给出了远场辐射图，设计满足超宽带天线的通信辐射要求.下一阶段将进一步分析超宽带可调陷波天线及其天线小型化处理.

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