一種小型陷波超寬帶天線

1 引言

UWB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是無(wú)線通信領(lǐng)域激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn),尤其是在2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)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(lái)研究的熱點(diǎn)．超寬帶天線設(shè)計(jì)的主要要求包括在超寬頻帶內(nèi)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(nèi)覆蓋了5．150～5．825GHz的無(wú)線局域網(wǎng)(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(nèi)引入帶阻濾波器濾除窄頻帶，但這勢(shì)必增大系統(tǒng)的復(fù)雜度．一種簡(jiǎn)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(nèi)呈現(xiàn)較大的反射系數(shù)，即具有陷波功能．近年來(lái),已有不少的文獻(xiàn)對(duì)具有陷波功能的寬帶天線進(jìn)行了研究，如在天線結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中刻成特殊的形狀，通過(guò)開槽的方式實(shí)現(xiàn)陷波功能是一種應(yīng)用較多的實(shí)現(xiàn)辦法。

本文提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的微帶線饋電的小型平面超寬帶天線，通過(guò)在圓形輻射貼片上開一個(gè)月牙形槽實(shí)現(xiàn)陷波功能，它的基本工作原理是在天線結(jié)構(gòu)中引入需要抑制頻率的“半波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)”，等效地引入相應(yīng)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(guò)調(diào)節(jié)月牙形槽的尺寸能夠方便的調(diào)節(jié)陷波的中心頻率和帶寬。利用仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真，對(duì)月牙形槽的參數(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)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(nèi)具有較好的阻抗特性和方向圖，在5～6GHz的頻段內(nèi)，通過(guò)開槽的方式能顯示出良好的陷波特性。

2 天線設(shè)計(jì)

本文的天線是通過(guò)在超寬帶天線上引入一個(gè)月牙形槽的方式產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(duì)其進(jìn)行仿真，其仿真與實(shí)測(cè)的駐波如圖2所示，實(shí)線為實(shí)測(cè)結(jié)果,虛線為仿真結(jié)果,仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)的結(jié)果基本吻合，雖然在整個(gè)頻段內(nèi)有個(gè)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(chǔ)設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)和仿真駐波

為了實(shí)現(xiàn)陷波功能，在圓形輻射貼片上開了一個(gè)月牙形槽，如圖3，即在天線結(jié)構(gòu)中引入半波長(zhǎng)的諧振結(jié)構(gòu)，當(dāng)調(diào)整月牙形槽的總長(zhǎng)約為所需抑制頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)時(shí)，在該頻率點(diǎn)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(guān)系為

（1）

式中L為月牙形槽中心線的長(zhǎng)度；ε為相對(duì)介電常數(shù)；c為光速。利用式（1）可以有效地指導(dǎo)天線的設(shè)計(jì)，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(nèi)圓半徑rn＝3mm，圖4給出了它在3.0GHz、6.0GHz和10.0GHz三個(gè)頻點(diǎn)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(shí)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(dāng)頻率較高時(shí)方向圖變差。

3 月牙形槽的影響

通過(guò)HFSS的仿真，選取合適的月牙形槽的外圓和內(nèi)圓半徑能夠調(diào)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(duì)陷波中心頻率和陷波帶寬的影響，分別取（a）外圓半徑rw＝3.5mm，內(nèi)圓半徑rn＝3mm，（b）外圓半徑rw＝4mm，內(nèi)圓半徑rn＝2.8mm，（c）外圓半徑rw＝5mm，內(nèi)圓半徑rn＝4mm，如圖5所示。

(a) 仿真結(jié)果

(b) 實(shí)測(cè)結(jié)果

圖5 槽對(duì)陷波位置的影響

比較仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)陷波中心頻率兩者基本一致，從實(shí)測(cè)可以看出在5GHz~ 6GHz的頻段內(nèi)天線的陷波性能較好，更易于實(shí)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(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)窄帶系統(tǒng)頻段系統(tǒng)間潛在的干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種可以應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)的具有陷波功能的超寬帶天線。通過(guò)在圓形貼片上開一個(gè)月牙形的縫隙，引入了半波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)而獲得了陷波特性。通過(guò)仿真軟件HFSS仿真計(jì)算，確定了天線的幾何尺寸，進(jìn)行實(shí)物的加工，從對(duì)實(shí)物的實(shí)測(cè)的情況看，在5GHz～6GHz范圍內(nèi)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(shí)用價(jià)值、能廣泛應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)中的超寬帶天線。