一種小型雙陷波超寬帶印刷天線

劉璐璐， 孫緒保， 石紅艷， 高 飛

（山東科技大學 信息與電氣工程學院，山東 青島266590）

0 引言

隨著對3.1GHz～10.6GHz頻率波段的認可與分配利用，超寬頻技術成為未來高速率無線通信、高精度雷達和圖像系統中最有前途的技術之一。自IEEE 802.15.3a標準提出將3.1GHz～10.6GHz頻段分配給超寬帶使用后，超寬帶通信系統越來越受到重視。UWB天線不僅要求天線具有體積小［1］、輻射效果良好、覆蓋特性全向等特點，還應避免與其他通信系統的相互干擾［2］。

在規定的超寬帶頻段范圍內存在其他通信系統可用的窄帶寬，所以存在電磁干擾的問題，主要重疊的通訊頻段有全球微波接入互操作性工作頻率3.3GHz～3.7GHz，局域網工作頻率5.15GHz～5.825GHz，衛星通信系統X 波段下行工作頻率7.25GHz～7.75GHz等。能否實現小型化UWB 天線的阻帶性能已成為當今社會研究的重點。用帶阻濾波器連接到超寬帶天線里可以抑制這些波段，但是增加了系統的復雜性，設計帶有陷波特性的超寬帶天線，能有效解決這一問題。即在受干擾的頻段內讓天線呈現較大的反射系數，降低天線的發射和接收功能，使得天線具有陷波特性。文獻［3］通過對比幾種天線仿真結果說明超寬帶印刷單極天線可實現相對較小的尺寸，超寬帶印刷縫隙天線能獲得相對較高的增益，其中介紹了一種超寬帶單陷波天線即在輻射體上嵌入U 型縫隙使得在5 GHz頻率附近形成阻帶功能以抑制局域網工作頻率5.15GHz～5.825GHz。文獻［4］介紹了一種采用微帶線饋電，具有雙陷波特性的燕尾形平面超寬帶天線，即在天線的輻射體上分別嵌入了一個C字形縫隙和一對對稱排布的線形縫隙以在3.2 GHz～4.3 GHz和5.3 GHz～6.2 GHz兩個頻段產生陷波。

近年來，已經通過大量研究仿真證明在輻射貼片里蝕刻一對T 型殘端或U 型縫隙［5］，在貼片地面嵌入C 型或線型縫隙可以獲得雙陷波或三陷波超寬帶天線［6-9］。

本文提出了一種利用微帶線饋電的雙陷波超寬帶天線，它比單陷波頻率的天線更加實用。首先將圓形單極子天線改進成有切角的超寬帶天線，然后通過在貼片上蝕刻三個半圓環槽以達到5.15GHz～5.825GHz和7.25GHz～7.75 GHz實現陷波的效果。半圓環長度約為所設計陷波頻率對應的半波長時，電流就集中在縫隙的周圍，引起該頻率附近的阻抗失配以實現天線的陷波特性。

1 天線的結構

圖1所示為本文建議的天線模型。天線尺寸為25×29×0.8 mm3，介質是FR4，相對電介質常數為4.4，損耗正切角為0.02。超寬帶天線由50Ω 的微帶線饋線、缺角圓形貼片和三個縫隙等組成。在天線輻射單元上開槽，縫隙破壞了原先的電流分布，增加了電流路徑，在待定頻率上引起諧振，實現陷波效應。

圖1 天線模型（單位mm）

2 天線仿真

使用Ansoft公司推出的電磁仿真軟件HFSS對天線進行仿真，通過改變狹槽、輻射貼片、介質板等的大小、形狀和位置對天線超寬帶的帶寬，陷波的帶寬，帶寬抑制水平等參數進行優化。

改變參數R2，R3的數值，通過影響狹槽長度對天線進行優化。利用長度約為陷波頻率對應波長的二分之一的半圓環狹槽使得天線在5.45 GHz和7.4GHz處回波損耗大于-10dB，達到不干擾超寬帶通信系統的目的。

由圖2和圖3天線的回波損耗圖可以看出陷波頻率隨著R2和R3的減小即隨著狹槽總長度的減小移動到較高的頻率。

圖2 R2 對天線回波損耗的影響

圖3 R3 對天線回波損耗的影響

縫隙間的作用對天線各個指標也會產生影響，由圖4可以看出在7.4GHz頻段處，兩個相同的半圓環狹槽比一個半圓環狹槽效果好，提高了天線的參數性能指標。由于在兩個狹槽間產生一定的干擾，所以不同狹槽間的距離在小型輻射貼片上能減少的距離是有限的。

如圖5所示，可以看出基本單極子天線的回波損耗以及縫隙S2，S3.1和S3.2各自產生的陷波頻率。

圖6為雙頻陷波超寬帶天線的仿真結果。超寬帶頻率范圍為3.1 GHz～12 GHz，在4.8 GHz～6GHz和7.15GHz～7.95GHz范圍內具有陷波特性，其他范圍內有良好的阻抗特性和小于-10dB 的回波損耗。圖7 為天線在4.8 GHz，8.5GHz，10GHz處H 面和E 面的輻射方向圖。可以看出天線在各個頻率處H 面和E面有良好的輻射方向特性。

圖4 只有S3.2與有S3.1和S3.2時天線的回波損耗

圖5 無狹槽與有狹槽時超寬帶天線的回波損耗

圖6 雙陷波超寬帶天線的回波損耗

圖7 H 面和E面的輻射方向圖

3 結論

本文提出了一種小型雙陷波超寬帶印刷天線。陷波特性是通過在輻射板上開三個半圓環型槽，引入半波長諧振結構而獲得的，從而該天線在實現小型化的同時具有雙陷波特性。仿真結果顯示，天線的回波損耗和全方位輻射方式符合超寬帶天線的要求。該超寬帶天線具有抗干擾性強，傳輸率高，頻譜利用率高，應用廣泛等優點。因此這種天線是一種具有實用價值的小型化超寬帶天線。

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