吳緒鎮(zhèn)，薛鋒章

(華南理工大學電子與信息學院，廣東廣州510641)

0 引言

自從2002年美國聯(lián)邦通信委員會(federal communications commission，F(xiàn)CC)批準將3.1～10.6 GHz頻帶作為超寬帶(ultra wideband，UWB)民用頻段以來［1］，UWB技術因其低成本、高速率、低功耗等優(yōu)勢得到飛速發(fā)展。作為UWB系統(tǒng)的重要組成部分，超寬帶天線的研究與設計深受國內(nèi)外學者重視。此外，由于在UWB頻段與其他通信系統(tǒng)(WLAN(5.15～5.825 GHz)，WIMAX(3.3～3.7 GHz)以及C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)(3.7～4.2 GHz))的工作頻段有重疊，如何實現(xiàn)UWB系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容，成為超寬帶天線的設計難點。

目前，大多數(shù)超寬帶天線設計都只是針對WLAN5.5頻帶進行阻帶抑制，實現(xiàn)的方法不盡相同［2－6］。如文獻［2－3］是采用在圓形輻射片上開條形槽或U型槽的方法;文獻［4－5］是在方形環(huán)狀輻射片中間加豎長微帶;文獻［6］則是通過在主輻射片上端加寄生輻射片作為濾波結構實現(xiàn)對5.1～5.9 GHz的阻帶抑制。這些天線具有WLAN5.5頻段單阻帶特性，但是未能實現(xiàn)對WIMAX3.5及C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作頻帶的兼容。也有一些文獻介紹了具有雙阻帶特性的超寬帶天線［7－9］，但尺寸較大，結構比較復雜。

本文提出的新型超寬帶天線，采用漸變微帶線饋電，輻射片為扇形平面單極子。天線首先是實現(xiàn)了3.1～14.4 GHz超寬頻帶內(nèi)電壓駐波比(voltages standing wave ratio，VSWR)小于 2，再通過在輻射片上適當位置開弧形槽及雙豎槽，使得在5.1～6 GHz，3.3～4.2 GHz 頻帶內(nèi)的 VSWR2，很好地實現(xiàn)了對WLAN5.5，WIMAX3.5及C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻帶抑制功能，避免了各通信系統(tǒng)的互擾。并且總尺寸僅為30 mm×30 mm，符合天線小型化的趨勢，是一種實用新型的超寬帶天線。

1 天線設計思路與結構

天線選用厚度為1 mm的聚四氟乙烯(FR4)作為介質(zhì)基板，輻射片與接地面均為0.035 mm厚的覆銅層，分別印制在介質(zhì)板的兩面。FR4相對介電常數(shù)εr為4.4，損耗正切tanδ為0.2。

首先是常規(guī)UWB天線的設計。輻射片為扇形平面單極子，因為扇形結構具有尺寸漸變性，能夠激發(fā)表面電流的多種諧振模式，實現(xiàn)天線寬頻帶工作特性。微帶線和地面采用漸變結構，也是為了改善阻抗匹配，進一步擴展帶寬?；诖?，初步設計出滿足UWB頻帶內(nèi)VSWR2的天線A，如圖1a示。

在天線A的基礎上，采用在輻射片上開槽的方法實現(xiàn)具有帶阻特性的UWB天線。開槽等效于在天線上加載縫隙諧振器，當開槽總長為特定頻率處1/2個介質(zhì)波長時，在開槽處會發(fā)生諧振，對天線輻射片表面電流產(chǎn)生阻斷作用，從而實現(xiàn)帶阻特性［10］。確定開槽長度的近似公式為

(1)式中:c為光速;f為阻帶中心頻率;εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù);L為對應的開槽總長度。第1步，在輻射片上開弧形槽實現(xiàn)WLAN5.5頻段帶阻功能。按照公式(1)給出的開槽尺寸，弧形槽長度L1約為16 mm。得到天線B，如圖1b示;第2步，在天線B上加對稱雙豎槽實現(xiàn)WIMAX3.5及C波段帶阻功能，為達到25 mm的開槽總長，豎槽長度L2約為12.5 mm。得到天線C，如圖1c示，天線C即為具有雙阻帶特性的UWB天線?；⌒尾叟c豎槽寬度均為0.5 mm。

圖1 天線設計流程Fig.1 Steps of proposed antenna design

按照上述基本尺寸，采用基于有限元的三維結構電磁場仿真軟件ANSOFT HFSS 11，優(yōu)化開槽尺寸及開槽位置、微調(diào)輻射片和接地面形狀，得到最優(yōu)化的天線結構。設計的新型雙阻帶超寬帶天線具體尺寸標注于圖2中。

圖2 雙阻帶UWB天線Fig.2 Dual band－notched UWB antenna

2 實驗研究及天線性能分析

2.1 超寬帶天線阻抗特性研究

使用仿真軟件對天線做實驗研究，分析以下阻抗特性曲線可驗證設計的有效性。圖3－5分別給出了常規(guī)UWB天線A、單阻帶UWB天線及雙阻帶UWB天線的SVWR仿真結果。

從圖4可見，在輻射片適當位置開弧形槽后，天線B在5.1～6 GHz頻帶內(nèi)VSWR2，其余工作頻段VSWR2，有效實現(xiàn)了對WLAN5.5頻帶抑制功能。

從圖5可見，在天線B基礎上，加雙豎槽后，天線C在3.3～4.2 GHz及5.1～6 GHz頻帶內(nèi)VSWR2，其余工作頻段VSWR2，由其雙阻帶特性實現(xiàn)UWB天線對WLAN5.5，WIMAX3.5及C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的兼容。

圖5 雙阻帶UWB天線的VSWR仿真結果Fig.5 VSWR of dual band－notched antenna

2.2 天線表面電流分析

通過分析天線表面電流，說明開槽對實現(xiàn)頻帶抑制的有效性。圖6給出了5.5 GHz和3.7 GHz頻率處的天線表面電流分布。

圖6 天線表面電流分析Fig.6 Analysis of surface current

從圖6對比分析5.5 GHz和3.7 GHz頻率處的天線表面電流，可見在未開槽之前，表面電流分布在整個輻射片上，天線正常對外輻射。根據(jù)(1)式可知，加弧形槽之后，相當于在5.5 GHz處引入了半波長縫隙諧振器，使天線表面電流集中在弧形槽附近形成回流，此時輻射片整體等效于開路，天線不能產(chǎn)生輻射，從而實現(xiàn)對WLAN5.5的頻帶抑制;同理，對稱雙豎槽在3.7 GHz頻率附近對天線表面電流產(chǎn)生阻斷作用，使該天線實現(xiàn)對WIMAX3.5及C波段衛(wèi)星通信頻帶抑制特性。

2.3 天線輻射特性

圖7給出了雙阻帶超寬帶天線C在3.1，3.7，5.5，9 GHz幾個頻點處的E面方向圖和H面方向圖。

圖7 雙阻帶天線在3.1，3.7，5.5，9 GHz頻率處的輻射方向圖Fig.7 Radiation patterns of proposed antennaat 3.1，3.7，5.5，9 GHz

從圖7可見，該天線符合平面單極子天線輻射特性。E面近似呈8字形，類似于偶極子天線的E面方向圖。3.1 GHz和9 GHz頻率天線H面方向圖近似為圓形，說明該天線在通帶內(nèi)呈現(xiàn)良好的全向輻射性，可實現(xiàn)UWB天線全向收發(fā)電波信號的功能;3.7 GHz和5.5 GHz頻率天線H面方向圖發(fā)生畸變，說明在阻帶內(nèi)全向輻射特性遭到破壞，從而限制了UWB天線對多系統(tǒng)重疊頻帶內(nèi)信號的收發(fā)，避免系統(tǒng)間的互擾。

3 總結

本文提出了一種微帶饋電的雙阻帶UWB天線，在滿足超寬帶系統(tǒng)帶寬要求的前提下，通過在天線輻射片上開槽實現(xiàn)了針對WLAN5.5，WIMAX3.5及C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻帶抑制。通過大量對比實驗，驗證了天線開弧形槽和對稱豎槽對實現(xiàn)雙阻帶功能的有效性。文中闡述了該天線的設計思路，為具有帶阻特性的超寬帶天線設計提供借鑒，并且從表面電流和輻射特性解釋和驗證了該天線的帶阻特性。該天線具有小型化結構，易于與電路集成，可作為超寬帶無線通信系統(tǒng)的收發(fā)天線，具有良好的工程應用前景。

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