張 凡，潘 錦

(電子科技大學 軟件工程，四川 成都 611731)

從美國聯(lián)邦通信委員會于2002 年規(guī)范統(tǒng)一商業(yè)應(yīng)用中的超寬帶通信的帶寬為3.1 ～10.6 GHz 開始［1］，這一領(lǐng)域受到工業(yè)和學術(shù)界越來越多的矚目。然而由于這一頻段內(nèi)已存在許多其他通信系統(tǒng)的工作頻段，諸如工作在3.3 ～3.7 GHz 的WiMAX 系統(tǒng)和工作在7.25 ～8.395 GHz 處的X－band 衛(wèi)星通信系統(tǒng)等，如何使UWB(Ultra－Wideband)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間無干擾地工作成為了一個重要課題。其中具有陷波特性的超寬帶天線由于其結(jié)構(gòu)緊湊，使越來越多的研究人員將關(guān)注點集中在這一方向上，且由此誕生了一系列成果。

通過在超寬帶天線上增加諧振結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)陷波超寬帶的基本方案。許多結(jié)構(gòu)都可以實現(xiàn)這一構(gòu)想，如在貼片上開縫［2－4］，在貼片周圍增加金屬條帶［5－6］，在饋電結(jié)構(gòu)上增加諧振結(jié)構(gòu)［7－8］，或是結(jié)構(gòu)上添加一段短路短截線［9］，或者有學者將多個結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起實現(xiàn)了多阻帶的特性［10－11］。然而眾多設(shè)計的結(jié)構(gòu)都只能由一個結(jié)構(gòu)實現(xiàn)單個阻帶的覆蓋，本文提出一種新的結(jié)構(gòu)可在僅增加一個結(jié)構(gòu)的前提實現(xiàn)雙陷波特性。這一結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)較好的阻帶特性并具有一定的可調(diào)節(jié)性，具有良好的應(yīng)用前景。

1 天線設(shè)計

1.1 天線結(jié)構(gòu)及原理

新型陷波超寬帶天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該超寬帶天線腐蝕在介電常數(shù)為2.2，厚度0.8 mm 的Rogers RT/duroid 5880(tm)介質(zhì)板上天線的尺寸為L×W=45 mm×35 mm，共面波導傳輸線與地板的間隔W1=0.2 mm，寬度W2=3.5 mm，特性阻抗50 Ω。無金屬條帶的原始天線具有良好的超寬帶特性，通過調(diào)節(jié)地板尺寸和貼片的大小可在一定程度上改變阻抗匹配特性。

為了引入雙阻帶特性，在超寬帶天線背面增加了一個不等寬的金屬條帶，結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

在經(jīng)典文獻中，一部分學者通過在天線背側(cè)增加金屬條帶，可使貼片中的一部分能量耦合到金屬條帶上，尤其是對于特定的頻率，貼片耦合到金屬條帶的能量會大幅增加，進而影響天線的輻射性能，導致陷波特性產(chǎn)生。但由于文獻中多數(shù)只提到利用等寬的金屬條帶。一般而言，考慮介電常數(shù)的情況下結(jié)構(gòu)應(yīng)當為對應(yīng)1/2 波長的整數(shù)倍，其第一高次諧波所在位置處于基次諧振的諧振頻率的約2 倍及3 倍處，如圖2 所示。

圖2 等寬金屬條帶的結(jié)構(gòu)及對應(yīng)超寬帶天線的S11

當考慮到為在適當頻率引入第二阻帶時，本文采取了改變金屬條帶部分的線寬的方式實現(xiàn)這一目標，如圖1(b)通過引入不等寬的金屬條帶可改變高次諧振的頻率與低次諧振頻率的比值。再通過微調(diào)天線的和金屬條帶的尺寸參數(shù)實現(xiàn)規(guī)定要求的雙帶阻超寬帶天線的設(shè)計要求。

1.2 天線結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)

采用美國Ansoft 公司的三維電磁仿真軟件HFSS13.0建立天線模型來進行仿真對天線參數(shù)進行優(yōu)化，得到尺寸:H=21.15 mm，r_strip=14 mm，γ=20.5°，α=2×28.7°，D2=0.55 mm，D1=1.6 mm。

2 天線參數(shù)分析

用HFSS 仿真，結(jié)果如圖3 所示。從回波損耗可看出，超寬帶天線滿足通信系統(tǒng)對超寬帶頻帶的要求，其中可看到陷波超寬帶天線的S11主要指標與要求的誤差分析如表1 所示。由于所有的誤差都控制在5%以內(nèi)，可認為天線較好地實現(xiàn)了阻帶的功能。

圖3 優(yōu)化后天線的S11曲線

表1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)與超寬帶通信規(guī)定頻段間的誤差

為進一步研究陷波結(jié)構(gòu)，對天線參數(shù)進行分析。天線的阻帶特性主要由以下參數(shù)決定:金屬條帶各個小節(jié)的角度α，及陷波單元結(jié)構(gòu)寬邊長度D1。圖4 為天線的諧振結(jié)構(gòu)在不同頻率下的電流分布，可看到在兩個阻帶處諧振單元恰好處于兩個不同的諧振狀態(tài)。而如圖5顯示隨α 減小阻帶的諧振頻率上升。參數(shù)D1決定了低頻與高頻間的比值，在α 一定的情況下，可調(diào)節(jié)天線輻射頻率的比值，如圖6 所示。同時改變H 和γ 可改變輻射天線的耦合強度，進而改變天線阻帶帶寬。綜合以上方法，即可調(diào)節(jié)出符合通信要求的陷波超寬帶天線。

圖4 天線的諧振結(jié)構(gòu)在不同頻率下的電流分布

圖5 天線S11隨α 變化的曲線

圖6 天線S11隨D1 變化的曲線

天線在4 GHz 的遠場增益方向圖，如圖7 所示，表明如上設(shè)計的天線在H 面具有良好的全向輻射特性，且不圓度較好。

圖7 天線在4 GHz 時的遠場增益方向圖

3 結(jié)束語

本文利用一種新的諧振結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個雙阻帶的超寬帶天線。除了在要求屏蔽的WiMAX 頻段(3.3 ～3.7 GHz)以及X 頻段的衛(wèi)星通信下行頻段(7.25 ～8.395 GHz)，回波損耗S11在整個頻段＜－10 dB。該天線結(jié)構(gòu)新穎，具有良好的可調(diào)節(jié)性，且具有較好的水平全向輻射性能。

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