小型具有雙阻帶特性的超寬帶天線設計

隨著無線通信技術的普及，超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)技術成為無線通信領域中極具競爭力和發(fā)展前景的焦點。2002年，美國聯(lián)邦通行委員會(FCC)批準將3．1～10．6 GHz之間7．5 GHz的頻段分配給超寬帶無限通信業(yè)務使用。共面波導相對于常規(guī)微帶傳輸線來說，具有低色散，易加工，易于與微波電路集成無源或有源的表面貼裝元件實現(xiàn)并聯(lián)或者串聯(lián)鏈接、不需要過孔、相互間串擾小等優(yōu)點，并且共面波導的特性阻抗是由中間導帶寬度和縫隙之比決定，可以自由設計其尺寸。但是，考慮到在UWB頻段內(nèi)存在有其他窄帶無線通信系統(tǒng)，例如Wi-Max(3．3～3．6 GHz)，衛(wèi)星C波段(3．7～4．2 GHz)和W1AN(5．15～5．825 GHz)系統(tǒng)。為了抑制不同系統(tǒng)之間的相互干擾，具有陷波特性的超寬帶天線被廣泛研究。然而，這些文獻中的天線多是只能獲得單阻帶特性。

本文提出了一種具有雙阻帶特性的超寬帶天線。設計的無阻帶特性的UWB天線VSWR2的阻抗帶寬為2．58～12 GHz,，通過在輻射單元上開E型槽和在地板開一對細槽，通過調(diào)節(jié)槽的尺寸、寬度和位置實現(xiàn)覆蓋3．75 GHz處和5．5 GHz處的雙阻帶特性。實測與仿真結果吻合較好。

1 天線的設計

圖1給出了文中所提出的具有陷波特性的共面波導饋電的超寬帶天線幾何模型。天線的總尺寸為34 mm×25 mm×1．5 mm，較為緊湊。共面波導傳輸線具有50 Ω特性阻抗，與地板間隔0．3 mm，傳輸線寬度2 mm。共面波導傳輸線長度19．5 mm?？拷戮壍木匦钨N片為地板，半周期正弦形狀的輻射單元距離地板為gap=0．5 mm。天線制作在相對介電常數(shù)εr=4．4、厚度為1．5 mm的低耗FR-4基板上。為了實現(xiàn)中心頻率在3．75 GHz和5．5 GHz處的陷波特性，在輻射單元上開E型槽和在地板上的一對細槽，實現(xiàn)了雙阻帶特性。

3．75 GHz處的陷波特性由輻射單元上E型槽來實現(xiàn)。槽總長度約為槽線3．75 GHz工作時波長的1／2。通過在地板上加載一對對稱細槽，實現(xiàn)了5．5 GHz處的陷波特性。細槽距地板邊緣為W1，長度L1約為期望阻帶諧振頻率對應工作波長的1／4。

使用商用軟件Ansofi HFSS v11對天線的模型進行仿真分析與優(yōu)化，通過調(diào)節(jié)各槽的長度、寬度與位置，最終實現(xiàn)了具有良好特性的雙阻帶超寬帶天線。表1給出了符合天線設計的主要變量參數(shù)組合。圖2是根據(jù)以上設計結果制作的天線模型實物圖。

2 天線特性分析

天線駐波測量使用WILTRON37269A矢量網(wǎng)絡分析儀。圖3給出了天線電壓駐波比的測量與仿真結果比較。如圖3所示，天線在UWB頻段內(nèi)的駐波比均2，對于帶陷波結構的超寬帶天線測量結果和仿真結果吻合較好。但測量結果較仿真結果有頻偏，這是由于介質(zhì)板的介電常數(shù)不均勻或加工誤差所造成的，而測量結果仍滿足天線設計的要求，VSWR>2的頻帶范圍在3．25～4．25 GHz和5．1～5．95 GHz的兩個頻帶內(nèi)，覆蓋了3．3～-4．2 GHz和5．15～5．825 GHz兩個頻帶范圍。

本設計對當中對天線性能影響較重要的參數(shù)進行了進一步的研究。主要分析的參數(shù)為輻射單元上的E型槽內(nèi)半徑Rin和地板上的細槽長度L1分別如圖4和圖5所示?？梢钥闯鯮in和L1對阻帶頻率位置的控制作用，說明通過調(diào)節(jié)槽長度可以得到所需的隔離頻帶。

圖6給出了天線在3．2 GHz，4．5 GHz和7 GHz這3個頻點的E面(xoz面)和H面(yoz面)仿真遠場輻射方向圖。圖7給出了該天線在UWB頻率范圍內(nèi)的仿真增益，在阻帶范圍內(nèi)天線的增益明顯下降，體現(xiàn)了天線的阻帶特性。

3 結束語

提出了一種新型的具有雙阻帶特性的超寬帶天線，制作出實物天線并成功驗證了天線的超寬帶和陷波特性。并在3．1～10．6 GHz的頻帶內(nèi)滿足VSWR2的寬帶工作要求，而在期望的中心頻率為3．75 GHz和5．5 GHz的頻帶范圍內(nèi)具有良好的陷波特性。該天線的尺寸較小，具有便于電路集成的平面印刷結構，因此是一種性能較好、具有實用價值的帶陷波超寬帶天線。