張勇

廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)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(nèi)具有雙陷波性能。仿真和測(cè)量結(jié)果表明，這種新型天線在通頻帶(25~106 GHz)內(nèi)電壓駐波比小于2，在29~39 GHz和49~60 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)電壓駐波比大于5，阻帶的頻率可通過蝕刻槽的長(zhǎng)、寬來調(diào)節(jié)。該天線的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，且尺寸小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)。

　　關(guān)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(shù)的發(fā)展，特別是美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(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(yè)頻段［1］，超寬帶天線作為UWB系統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)逐漸成為近年來研究的熱點(diǎn)［2］。但是,隨著智能手機(jī)和平板電腦等一系列智能移動(dòng)終端的不斷研究和普及，無線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetwork, WLAN）的應(yīng)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(shí)全球微波互聯(lián)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(nèi)。因此，其在上述窄帶無線通信系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)反射系數(shù)較大，即具有陷波功能，從而能夠抑制與超寬帶系統(tǒng)之間的潛在干擾，使超寬帶陷波天線逐漸被廣泛研究和發(fā)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(shí)現(xiàn)雙陷波特性所采用的多種結(jié)構(gòu)［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(jié)構(gòu)（Electromagnetic Band Gap Structures）［1314］。但是，單個(gè)共振結(jié)構(gòu)也可以產(chǎn)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(shè)計(jì)復(fù)雜，成本也較高。

　　因此，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎、簡(jiǎn)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(gè)C形槽和在微帶饋電線上蝕刻一個(gè)U形槽的方法，來產(chǎn)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(zhǎng)、寬等參數(shù)來調(diào)整雙陷波頻帶。

1天線的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理

　　圖1為該天線的結(jié)構(gòu)示意圖。天線介質(zhì)基板的尺寸為36 mm×36 mm×16 mm，相對(duì)介電常數(shù)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(zhǎng)為14 mm的微帶線饋電。WiMAX和WLAN的陷波頻段能夠由下列兩個(gè)公式計(jì)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(duì)介電常數(shù)，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(zhǎng)、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(zhǎng)、寬。本文選擇商業(yè)仿真軟件HFSS 150進(jìn)行天線尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。超寬帶天線以及在天線上蝕刻的C形槽和U形槽的最優(yōu)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(yè)仿真軟件HFSS 150對(duì)影響天線陷波性能的關(guān)鍵參數(shù)包括C形槽長(zhǎng)度L1和W1以及U形槽的長(zhǎng)、寬度S2、S3、S6、S7進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以便更加詳細(xì)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(shù)對(duì)該天線陷波特性的影響規(guī)律。

　　加入C形槽和U形槽前后天線的仿真結(jié)果對(duì)比圖如圖2所示?？梢?，該天線在34~37 GHz和53~58 GHz兩個(gè)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(shù)增大，產(chǎn)生陷波特性。圖3（a）表明，C形槽的長(zhǎng)度L1越長(zhǎng)，相應(yīng)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(kuò)大。圖3（b）則表明隨著弧形槽長(zhǎng)度W1的增大，天線的第一個(gè)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(diào)節(jié)L1、W1來實(shí)現(xiàn)不同頻段上的陷波功能。

　　圖4表示U形槽的尺寸參數(shù)對(duì)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(shù)S2、S6和S7的增大，天線的第二個(gè)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(shù)S3的增大，第二個(gè)陷波頻段的中心頻率逐漸向高頻移動(dòng)。圖3C形槽參數(shù)對(duì)天線電壓駐波比的影響

　　因此，可以調(diào)節(jié)參數(shù)S2、S3、S6和S7來達(dá)到所需要抑制的頻率點(diǎn)，從而優(yōu)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(gè)槽同時(shí)存在時(shí)所產(chǎn)生的兩個(gè)陷波頻段發(fā)生較大的偏移，這兩個(gè)陷波頻段具有較高的隔離度。因此，可以通過調(diào)節(jié)C形槽和U形槽的具體尺寸來實(shí)現(xiàn)抑制超寬帶通信頻帶內(nèi)兩個(gè)窄帶通信系統(tǒng)（WiMAX和WLAN）頻率點(diǎn)干擾信號(hào)的目的，這大大提升了該天線設(shè)計(jì)的靈活性和使用需求。

3天線的實(shí)物測(cè)量結(jié)果和分析

　　基于圖1所示天線的結(jié)構(gòu)，對(duì)該天線進(jìn)行了實(shí)物制作，圖5為該超寬帶陷波天線的實(shí)物照片。利用安捷倫公司型號(hào)為E5071C的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer)對(duì)天線的電壓駐波比進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并與HFSS 150的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)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(nèi)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(gè)頻段內(nèi)的電壓駐波比大于5，具有陷波特性。且這兩個(gè)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(gè)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(shí)物測(cè)量結(jié)果基本吻合，但在WLAN窄帶通信系統(tǒng)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(gè)頻率點(diǎn)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(gè)超寬帶工作頻帶內(nèi)具有近乎等幅和全向，符合超寬帶天線在工作帶寬內(nèi)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(duì)在不同頻率下的電流分布進(jìn)行模擬仿真。如圖9所示，選取33 GHz和55 GHz這兩個(gè)頻率點(diǎn)，進(jìn)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?yàn)檫@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(xiàn)較大的反射系數(shù)，從而產(chǎn)生了所需的陷波特性。

4結(jié)論

　　文中設(shè)計(jì)了一種新穎的平面超寬帶陷波天線，與參考文獻(xiàn)相比，該天線尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有便于電路集成和生產(chǎn)的平面印制結(jié)構(gòu)。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(shí)現(xiàn)了抑制WiMAX和WLAN這兩個(gè)窄帶無線通信系統(tǒng)與UWB系統(tǒng)之間的潛在干擾的功能。使用商業(yè)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(shù)對(duì)天線陷波特性的影響規(guī)律，并實(shí)際制作和測(cè)量了該款天線，其實(shí)物測(cè)量的結(jié)果與軟件仿真基本一致。該天線同時(shí)具有成本低、性能穩(wěn)定、工程實(shí)用價(jià)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(tǒng)中超寬帶陷波天線的設(shè)計(jì)方案。

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