一種具有三陷波特性的超寬帶印刷天線設(shè)計(jì)

摘要 提出了一種新型的具有三陷波特性的超寬帶印刷天線。大錢(qián)形的輻射貼片和共面波導(dǎo)傳輸線饋電，可以保證在相當(dāng)寬的3個(gè)頻帶內(nèi)具有良好的阻抗匹配。回波損耗S11-10 dB的阻抗帶寬是3．1～10.6GHz，除了其中3．3～3.7 GHz的WIMAX，5．15～5．825 GHz的WIAN和7．25～8.4 GHz的X波段下行頻段3個(gè)陷波頻段。這些陷波的頻段可以通過(guò)在天線的輻射貼片上增加長(zhǎng)條裂縫和U形縫隙實(shí)現(xiàn)。加工和測(cè)試結(jié)果表明，該天線具有很好的阻抗帶寬和全向輻射方向圖。
關(guān)鍵詞 超寬帶天線；陷波特性；小型化；無(wú)線通信

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)于2002年規(guī)范統(tǒng)一商業(yè)應(yīng)用中的帶寬要求為3．1～10．6 GHz，這使得超寬帶技術(shù)在工業(yè)和學(xué)術(shù)界中的應(yīng)用變得備受矚目。為避免超寬帶通信系統(tǒng)中的其他頻段的相互干擾，例如工作頻帶內(nèi)還存在諸如無(wú)線局域網(wǎng)等其他的通信系統(tǒng)，多種具有陷波特性的超寬帶天線被廣泛研究和設(shè)計(jì)出來(lái)。
可以通過(guò)在超寬帶天線上腐蝕不同的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)陷波特性。多種結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)這一功能，如在貼片上腐蝕U形和C形縫隙。然而眾多設(shè)計(jì)的天線都僅覆蓋了一個(gè)窄帶頻段，多數(shù)適用于無(wú)線局域網(wǎng)中5 GHz頻段。還有部分天線具有雙陷波特性。
文中提出了一種帶有三陷波特性的共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線。輻射貼片為大錢(qián)形狀，通過(guò)在其表面腐蝕U形縫隙和長(zhǎng)條裂縫，可以獲得3個(gè)陷波頻段。

1 天線的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)
具有三陷波特性的超寬帶天線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。天線腐蝕在介電常數(shù)為4.4和厚度為1．6 mm的FR4介質(zhì)板上。共面波導(dǎo)傳輸線與地板的間隔是W3、寬度是W4，特性阻抗是50 Ω。共面地板大小是L2×W2，提供了良好的阻抗匹配。天線的尺寸是36mm×30 mm×1．6 mm。為引入三陷波特性，在馬蹄形天線表面蝕刻了U形縫隙和長(zhǎng)條裂縫。上部的U形縫隙實(shí)現(xiàn)了WiMAX的3．3～3．7 GHz頻段的陷波功能，同樣的下部U形縫隙實(shí)現(xiàn)了7．25～8．4 GHz頻段的陷波功能，而兩條裂縫實(shí)現(xiàn)了WLAN的5．15～5．825 GHz頻段的陷波功能。

原始天線具有良好的超寬帶特性，在充分考慮整體尺寸的前提下，合適地選擇大錢(qián)形貼片和共面地板的大小來(lái)保證天線的阻抗匹配特性。而在貼片上面蝕刻縫隙或者裂縫，可以切斷輻射貼片上的表面電流，使得縫隙或者裂縫周圍的電流重新分布，形成了陷波特性。考慮在介電常數(shù)4．4時(shí)，陷波結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度約為陷波頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1／4，考慮縫隙和裂縫之間的耦合，在初始值附近進(jìn)行一定的優(yōu)化就可得出設(shè)計(jì)天線的具體從參數(shù)。
使用3D電磁仿真元件HFSS 11．0對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了仿真，經(jīng)過(guò)加工調(diào)試天線的尺寸如下：L1=36mm，L2=16mm，L3=14mm，L4=15mm，L5=
17mm，L6=4．8mm，L7=11 mm，L8=6mm，L9=8．5mm，L10=8．4mm，L11=2．6mm，W1=30mm，W2=9mm，W3=0．5mm，W4=3mm，W5=0．4mm，W6=
0．4mm，W7=0．5mm，W8=2．5mm，R1=10mm。

2 結(jié)果分析
圖2給出了三陷波超寬帶天線回波損耗的HFSS仿真結(jié)果圖和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果圖。從回波損耗可以看出超寬帶天線滿足通信系統(tǒng)中對(duì)于超寬帶頻帶的要求，并且可以看出設(shè)計(jì)的天線有3．1～3．9 GHz，5．15～5．9 GHz和7．2～8．9 GHz的3個(gè)陷波頻段。測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果有著良好的吻合。