褚慶昕 楊光 毛春旭

(華南理工大學 電子與信息學院，廣東 廣州 510640)

自從美國聯邦通信委員會(FCC)公布了超寬帶(UWB)無線應用標準，UWB 技術在無線通信應用領域得到了廣泛關注.UWB 天線在與其他無線通信的抗干擾中也扮演著重要的角色［1］，其有連續(xù)的寬帶帶寬，但同時會覆蓋其他無線通信應用的頻段.例如無線局域網(WLAN)的頻段范圍是5.150～5.825 GHz，存在于UWB 的3.1～10.6 GHz 范圍內，因此，有必要研究能夠提供5.150～5.825 GHz 范圍內的阻帶陷波UWB 天線，以抑制UWB 和WLAN 頻段之間的相互干擾.

天線方面的研究人員相繼提出了大量的陷波UWB 天線.很多陷波天線的設計是通過在輻射體上開槽［2-3］或者在地板上開縫隙［4-5］來實現.為了實現UWB 天線的多個陷波，天線輻射體上可以嵌入多個諧振槽［6］，或者在輻射體側增加微帶線［7-8］.然而，在陷波天線的設計過程中，很多有用的頻率也會由于陷波UWB 天線的設計不足而導致被舍棄［9-10］.為了實現陷波阻帶的帶寬可控并且具有良好的矩形度，同時又能將UWB 系統(tǒng)與WLAN 窄帶系統(tǒng)間的干擾降低到最小，可以在天線輻射體上嵌入多個耦合的諧振槽.文中擬采用多耦合槽結構設計一種陷波阻帶具有可控特性且阻帶矩形度良好的陷波UWB 天線，當多個槽耦合在一起時，可以形成二階帶阻濾波器效果［11］;同時，通過調節(jié)槽的位置和耦合間距調節(jié)陷波阻帶的帶寬.

對于小范圍高速低功率的UWB 通信系統(tǒng)，天線信號在瞬時輻射、傳播和接收中的波形失真情況也需要得到充分的研究［12］.添加在輻射體和地板上的槽線結構雖然可以實現陷波，但對天線性能也有影響，通過時域分析可以研究和量化這些技術對天線信號的擾動影響［13-14］.相關系數和脈沖寬度拉伸比是用來描述UWB 天線時域特性的兩個關鍵參數，文中分析和計算了該陷波UWB 天線的時域參數，并對陷波UWB 天線傳輸的脈沖信號拖尾現象進行了說明.

1 阻帶可控陷波UWB 天線的設計

很多研究表明，陷波特性可以通過在天線輻射體上加載嵌入槽線來實現，槽線的長度是其諧振頻率上的電長度的一半(半波長)，把槽線的長度調節(jié)到諧振頻率的半波長就可以得到該頻率的帶阻特性［2］.當槽是開路時，它的長度只需為其對應諧振頻率的1/4 波長.在陷波頻率上，電流主要集中在槽的邊沿附近，從而導致該頻率上產生駐波，致使天線饋線端阻抗失配.為了使UWB 天線的陷波阻帶具有良好的矩形度，文中在天線輻射體或饋線微帶上嵌入多個耦合諧振槽;同時通過調節(jié)槽之間的耦合強度對陷波阻帶進行可控調節(jié).

具有陷波特性的微帶饋電UWB 天線結構如圖1所示.其中hAnt和bAnt分別是UWB 天線的高度和寬度，hGro是地板的高度，hRad和bRad分別是天線輻射體的高度和寬度，hSlot、bSlot和btrou，L分別是上側兩個L形開路槽的高度、寬度和槽線寬度，dSlot，Gap是兩個L形槽之間的間距，hCut和bCut是天線輻射體內切U 形方塊的高度和寬度，d_Gap是L 形槽與天線輻射體內切U 形方塊之間的間距，hSlit、bSlit和btrou，U分別是下側U 形槽的高度、寬度和槽線寬度，dU_floor是U 形槽上端與地板上端之間的間距，bFeed是饋線的寬度.

圖1 陷波UWB 天線結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of geometry of a notched UWB antenna

天線印刷在低耗FR4 基板上，厚0.8 mm，介電常數為2.55，天線的尺寸為30 mm ×36 mm.天線輻射體是一個呈U 形的貼片，地板位于基板的另一側，可獲得良好的阻抗匹配效果.兩個長度對應諧振頻率5.7 GHz 處波長1/4 的L 形開路槽嵌在天線U 形輻射體的內側;另外一個對應諧振頻率5.2 GHz處半波長的U 形槽則嵌在微帶饋線端.為了與陷波UWB 天線進行性能分析和對比，引入該天線的非陷波結構UWB 天線，如圖2 所示.

圖2 非陷波的UWB 天線結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of geometry of a UWB antenna without notches

陷波的諧振頻率可以由式(1)確定:

式中:c 為電磁波在自由空間中的傳播速度;L 為槽的物理長度;ε有效為有效介電常數.

當諧振槽開路時，開路槽是1/4 波長變換器，它的長度是諧振頻率處波長的1/4.兩個L 形開路槽的長度(L1、L2)以及U 形槽的長度(L3)可以由式(1)推導出來.通過HFSS 軟件仿真的參數分析，可以得到槽的尺寸和位置對陷波阻帶帶寬的影響.優(yōu)化后的天線參數如表1 所示.

表1 天線的優(yōu)化參數Table 1 Optimized parameters of the antenna mm

從而得到3 個槽的長度:L1= L2=10.1 mm;L3=21 mm.

圖3(a)給出了分別具有3 個槽、2 個L 形開路槽和1 個倒U 形槽的3 種天線的仿真回波損耗為一端口網絡的反射信號的幅值，f 為無線電頻譜的頻率.在天線只有上面2 個L 形開路槽和下面1 個倒U 形槽的情況下，由于槽間沒有耦合不能形成二階帶阻濾波器特性，阻帶帶寬很窄，-3dB 帶寬分別為5.30～5.64GHz 和5.32～5.68GHz;當天線上嵌入3 個槽時，由于耦合效果可以得到足夠的阻帶帶寬，-3 dB 帶寬為5.20～5.70 GHz.圖3(b)描述的分別是只有3 個槽或2 個U 形槽情況下的仿真回波損耗.當天線只有2 個槽或只有3 個槽時，由于槽間耦合，得到的阻帶矩形度都非常好，在阻帶5.1～5.8GHz 頻段內，兩個頻段帶寬的比值分別是0.518 和0.714，阻帶帶寬的矩形度明顯加強.從圖3 可以得出，3 個槽之間的相互耦合可以產生足夠的阻帶帶寬并且阻帶具有很好的矩形度.

圖3 幾種天線的仿真回波損耗Fig.3 Simulated return losses of several kinds of antennas

對于該陷波UWB 天線，位于輻射體上面的兩個L 形開路槽的下側與天線內U 形切片之間的距離(d_Gap)是影響陷波阻帶的一個非常重要的參數.圖4 給出了不同d_Gap情況下的仿真回波損耗.當表1 中所列的參數除d_Gap外都保持不變時，可以看到:當d_Gap增大時，阻帶變寬且矩形度變差;當d_Gap減小時，L 形槽與U 形輻射體型間的耦合變強，阻帶變窄且矩形度變好.圖5 給出了5.5 GHz 時天線輻射體表面的電流分布情況，由圖5 可以看出，當耦合變強時，這里的諧振也加強，開路槽附近的電流比較集中，從而從輻射體輻射出去的能量非常少.由此可以看出，位于U 形輻射體上面的兩個L 形開路槽與U 形內側的耦合距離d_Gap可以控制阻帶的帶寬.

圖4 d_Gap不同時天線的仿真回波損耗Fig.4 Simulated return loss of the antenna with different d_Gap

圖5 5.5 GHz 時天線輻射體表面的電流分布Fig.5 Current distribution on the radiator patch at 5.5 GHz

圖6 給出了dU_floor從4.7 mm 變化到6.7 mm 時的仿真回波損耗，此時表1 中所列的參數除dU_floor外都保持不變.當dU_floor增大時，上面兩槽和下面槽之間的距離變大，槽間耦合變小.從圖6 可以看出，較大的dU_floor產生的阻帶帶寬比較窄.

圖6 dU_floor不同時天線的仿真回波損耗Fig.6 Simulated return loss of the antenna with different dU_floor

綜合圖4 和6 可知，改變參數d_Gap和dU_floor的值可以使陷波產生的阻帶帶寬可控.

2 時域分析

在UWB 應用中，為了減少UWB 系統(tǒng)和窄帶系統(tǒng)之間的相互干擾，傳遞函數在阻帶波段處的振幅和群延時變量描述必須盡可能地準確，同時在非阻帶波段能保持是常量.滿足這些要求的發(fā)射、接收天線系統(tǒng)可以抑制來自窄帶系統(tǒng)的干擾和保證信號傳輸的失真度較小.

為了滿足FCC 規(guī)定的室內系統(tǒng)頻譜覆蓋要求，假設天線對都是由文獻［15］中的UWB 信號激勵.UWB 信號的高斯脈沖五階導數方程如下:

式中:C 為常數，選擇合適的C 值可滿足FCC 要求的峰值功率頻譜密度;σ 為51 ps，滿足FCC 規(guī)定的頻譜形狀.UWB 天線激勵信號如圖7 所示.

圖7 UWB 天線單脈沖激勵信號Fig.7 UWB antenna input signal with single pulse

二端口網絡傳輸參數S21是通過傳輸環(huán)境中面對面放置的一對收發(fā)天線進行仿真實驗得到的.兩個完全相同的天線對之間的距離是600 mm，大約為超寬帶波段最低頻率的6 個波長.在傳輸環(huán)境中，模擬的非陷波和陷波UWB 天線對面對面放置.為了描述由于引入阻帶帶寬可控的陷波結構而導致傳輸信號的失真變化，將文中研究的圖1 中的陷波UWB天線與圖2 所示的非陷波阻帶的UWB 天線進行對比.

圖8 給出了非陷波和陷波UWB 天線對在模擬環(huán)境中接收天線的輸出信號.從輸出信號可以看出，陷波UWB 天線的脈沖傳輸過程有一些失真和拖尾現象.這是因為UWB 脈沖天線輻射脈沖信號時，在脈沖電流從天線輸入端流到天線末端的這段時間內，收發(fā)天線在陷波頻段內的寬帶阻抗不匹配，脈沖天線不能把電磁能量全部輻射出去，從而在天線末端有剩余的脈沖電流.剩余脈沖電流會在天線中沿原來的路徑返回，在此后的過程中繼續(xù)輻射電磁能量，這樣，在天線的輻射脈沖波形中就會有拖尾脈沖.這些拖尾脈沖會與來自目標的信號在時間上重疊，對目標信號有一定的干擾［16］.

圖8 非陷波和陷波UWB 天線的輸出信號Fig.8 Output signal of UWB antenna with or without notch

為了準確地評估天線輻射信號的保真度，借助UWB 天線激勵信號s1(t)和遠場電場強度信號s2(t)間的相關系數ρ 進行分析:

圖9 UWB 天線傳輸函數的幅頻響應Fig.9 The magnitude response of transfer-function of UWB antenna

在UWB 無線發(fā)射器的設計中，發(fā)射脈沖的瞬時寬度是一個很重要的參數.大部分的能量都集中在脈沖的峰值處，因此可以把脈沖寬度定義為在某個時間窗內包含了一定比例的總能量.脈沖寬度拉伸比SR 可以定義為遠場區(qū)輻射電場波形的寬度與激勵信號波形寬度的比.對于信號s(t)，歸一化的累積能量方程Es(t)為

那么，在時間軸上去掉包含有總能量前5%和后5%的時間段后，剩余的含有總能量90%時間段上的脈沖寬度拉伸比SR 可以定義為

通過對輸入、輸出信號進行數值計算，可以得到天線相關系數ρ 和脈沖寬度拉伸比SR(90%)的值，陷波UWB 天線的ρ 和SR(90%)分別為0.877 8、3.0057，非陷波UWB 天線的ρ 和SR(90%)分別為0.9283、1.2174.

這兩種天線的相關系數都大于0.87，表明輸出信號與輸入信號相比并沒有嚴重變形，UWB 天線的陷波結構不會對天線輻射信號造成太明顯的失真，陷波UWB 天線適用于發(fā)射UWB 脈沖信號.脈沖寬度拉伸比SR(90%)大于1，表明并非所有信號都集中在峰值附近，可以認為天線引入陷波結構導致輻射電場強度信號的能量有所擴散，輸出信號有一定的拖尾現象，圖8(b)中也可以觀察到這種信號拖尾現象.但由于陷波UWB 天線的脈沖寬度拉伸比SR(90%)小于3.1，因而信號的失真度還是在可接受范圍之內.

3 仿真和測量結果

天線制作在低耗FR4 基板上，實物照片如圖10所示.

圖10 文中所設計天線的實物照片(單位:mm)Fig.10 Photograph of the proposed antenna (Unit:mm)

測量天線性能采用的是Agilent R3770 矢量網絡分析儀和華南理工大學天線測試系統(tǒng).圖11 給出了天線回波損耗和駐波比的測量和仿真結果.從圖11 可以看出，在3.1～10.6 GHz(除5.1～5.8 GHz頻段)工作頻段內，天線的，駐波比小于2，并且測量和仿真曲線相對吻合.在陷波阻帶的5.1～5.8 GHz 頻段范圍內，天線的＞-10dB，駐波比大于2，表明天線在WLAN 頻段上具有良好的陷波特性，天線在該頻段上的信號收發(fā)靈敏度相對較低，有利于減少UWB 系統(tǒng)和其他窄帶系統(tǒng)之間的相互干擾.回波損耗小于3 dB 的陷波阻帶頻段范圍是5.2～5.7 GHz，與回波損耗小于10 dB(5.1～5.8 GHz)頻段之間的帶寬比值是0.714，表明該陷波阻帶具有良好的選擇性，矩形度較好.

圖11 回波損耗和駐波比的仿真和測量結果Fig.11 Simulated and measured results of return loss and standing wave ratio

4、7 和10 GHz 處的E 面(xoz)和H 面(yoz)的歸一化輻射方向圖的仿真和測試結果如圖12 所示.在E 面，陷波UWB 天線的輻射方向圖呈啞鈴型;在H 面，天線的輻射方向圖具有比較好的全向性，能夠收發(fā)各個方向的信號.陷波UWB 天線的測量增益如圖13 所示.在陷波阻帶的5.1～5.8 GHz 頻段范圍內，天線增益急劇下降到-2.5 dB 左右，可抑制WLAN 窄帶系統(tǒng)的干擾;而在陷波UWB 天線的工作頻段，天線的增益范圍為1.8～3.5 dB，且增益曲線較為平坦.

圖12 天線在4、7 和10 GHz 處的輻射方向圖Fig.12 Measured radiation patterns of antenna at 4，7 and 10 GHz

圖13 陷波UWB 天線的增益測量圖Fig.13 Measured gain of the notched UWB antenna

4 結語

文中通過使用開路槽線的技術，提出和實現了一種阻帶帶寬可控的微帶饋電陷波UWB 天線.在天線的饋線端引入半波長的U 形槽，同時在天線U形輻射體上引入兩個1/4 波長的L 形開路槽來實現陷波特性;陷波阻帶的帶寬和矩形度可以由兩個L形槽與U 形輻射體的內側邊緣距離和L 形槽與饋線端U 形槽之間的距離來控制.該天線可以避免UWB 系統(tǒng)與其他窄帶系統(tǒng)在5.1～5.8 GHz 之間的相互干擾.文中還對該陷波UWB 天線進行了仿真、設計和測量，測量結果顯示，該天線具有良好的陷波阻帶特性和輻射方向特性.另外，文中還對該天線進行了時域分析，以確保其在UWB 系統(tǒng)的應用中具有良好的實用價值.

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