一種小型陷波超寬帶天線

1 引言

UWB系統(tǒng)的設計和應用是無線通信領域激烈競爭的焦點,尤其是在2002年美國聯(lián)邦通信委員會FCC將3.1～10.6GHz頻段劃歸為超寬帶(UWB)的民用頻段后.超寬帶天線作為超寬帶系統(tǒng)的重要組成部分，成為近年來研究的熱點．超寬帶天線設計的主要要求包括在超寬頻帶內阻抗匹配、良好的輻射方向特性，并且要求天線小型化以及制造成本低。

在超寬帶系統(tǒng)指定的頻段內覆蓋了5．150～5．825GHz的無線局域網(WLAN)窄帶系統(tǒng)頻段，為了抑制超寬帶系統(tǒng)與窄帶系統(tǒng)間潛在的干擾，通常需要在超寬帶系統(tǒng)內引入帶阻濾波器濾除窄頻帶，但這勢必增大系統(tǒng)的復雜度．一種簡單而有效的方法就是使超寬帶天線在WLAN窄帶系統(tǒng)的頻段內呈現(xiàn)較大的反射系數(shù)，即具有陷波功能．近年來,已有不少的文獻對具有陷波功能的寬帶天線進行了研究，如在天線結構中引入C形寄生單元，方形單極子天線上開U形槽，在平面天線結構中刻成特殊的形狀，通過開槽的方式實現(xiàn)陷波功能是一種應用較多的實現(xiàn)辦法。

本文提出一種結構簡單的微帶線饋電的小型平面超寬帶天線，通過在圓形輻射貼片上開一個月牙形槽實現(xiàn)陷波功能，它的基本工作原理是在天線結構中引入需要抑制頻率的“半波長諧振結構”，等效地引入相應頻率上的陷波器，使得該中心頻率上天線的駐波比顯著增加。通過調節(jié)月牙形槽的尺寸能夠方便的調節(jié)陷波的中心頻率和帶寬。利用仿真軟件HFSS對天線進行仿真，對月牙形槽的參數(shù)進行研究。通過數(shù)值計算和實驗測量，充分研究了這種天線的工作特性。天線工作在3～10GHz的工作頻帶內具有較好的阻抗特性和方向圖，在5～6GHz的頻段內，通過開槽的方式能顯示出良好的陷波特性。

2 天線設計

本文的天線是通過在超寬帶天線上引入一個月牙形槽的方式產生陷波特性的，所以首先得選擇一種超寬帶的天線形式。文中采用如圖1所示的超寬帶平面單極子天線，天線的地板采用半圓形，輻射單元的結構如圖所示，采用50W的微帶線饋電，地板和單極子輻射單元間存在一定的間隙，這使得天線擁有行波天線的特征，這是天線具有超寬帶特性的重要因素。天線制作在介電常數(shù)ε＝4.4，損耗正切tanδ＝0.02，厚度h＝1.5mm的FR-4基片上，地板的半徑Rd＝18mm，圓形輻射單元的半徑R＝8mm。利用HFSS對其進行仿真，其仿真與實測的駐波如圖2所示，實線為實測結果,虛線為仿真結果,仿真結果和實測的結果基本吻合，雖然在整個頻段內有個別頻段的駐波略大，但并不影響采用這種形式的超寬帶的天線為基礎設計超寬帶的陷波。

圖1 超寬帶的天線形式

圖2 超寬帶的天線實測和仿真駐波

為了實現(xiàn)陷波功能，在圓形輻射貼片上開了一個月牙形槽，如圖3，即在天線結構中引入半波長的諧振結構，當調整月牙形槽的總長約為所需抑制頻率對應的半波長時，在該頻率點及其附近輸入阻抗異常，阻抗失配．陷波中心頻率與月牙形槽的關系為

（1）

式中L為月牙形槽中心線的長度；ε為相對介電常數(shù)；c為光速。利用式（1）可以有效地指導天線的設計，選取所需月牙形槽的尺寸。

圖3 具有陷波特性的超寬帶的天線形式

選取月牙形槽的外圓半徑rw＝3.5mm，內圓半徑rn＝3mm，圖4給出了它在3.0GHz、6.0GHz和10.0GHz三個頻點E面和H面的方向圖。

圖4 具有陷波特性的超寬帶的天線方向圖

從圖中可以看出，在頻率較低的時候，天線H面具有比較好的全向性，E面是類似于偶極子天線的雙向方向圖。當頻率較高時方向圖變差。

3 月牙形槽的影響

通過HFSS的仿真，選取合適的月牙形槽的外圓和內圓半徑能夠調節(jié)陷波的中心頻率和帶寬。在不改變其他參數(shù)的前提下，研究槽尺寸的變化對陷波中心頻率和陷波帶寬的影響，分別?。╝）外圓半徑rw＝3.5mm，內圓半徑rn＝3mm，（b）外圓半徑rw＝4mm，內圓半徑rn＝2.8mm，（c）外圓半徑rw＝5mm，內圓半徑rn＝4mm，如圖5所示。

(a) 仿真結果

(b) 實測結果

圖5 槽對陷波位置的影響

比較仿真結果和實測結果發(fā)現(xiàn)陷波中心頻率兩者基本一致，從實測可以看出在5GHz~ 6GHz的頻段內天線的陷波性能較好，更易于實現(xiàn)陷波，使得該天線可用于抑制超寬帶系統(tǒng)與5.150～5.825GHz的無線局域網(WLAN)窄帶系統(tǒng)頻段系統(tǒng)間潛在的干擾。

4 結語

本文提出一種可以應用于超寬帶系統(tǒng)的具有陷波功能的超寬帶天線。通過在圓形貼片上開一個月牙形的縫隙，引入了半波長諧振結構而獲得了陷波特性。通過仿真軟件HFSS仿真計算，確定了天線的幾何尺寸，進行實物的加工，從對實物的實測的情況看，在5GHz～6GHz范圍內天線的陷波特性較明顯。該天線尺寸很小，加工容易，是一種性能較好，具有實用價值、能廣泛應用于超寬帶系統(tǒng)中的超寬帶天線。