具有帶陷功能的超寬帶微帶天線設計

引言

UWB天線與傳統的窄帶天線相比有很多新的特點。信號源產生一定形狀的短脈沖并將其饋入超寬帶天線，天線要將脈沖信號無失真地輻射出去，因為頻域內任何一個頻點的失真都會使得接收到的信號脈沖產生不同程度的失真。所以，UWB天線的特征有別于一般的微帶天線。此外，FCC規定民用UWB的-10dB帶寬范圍為3.1~10.6GHz，在此頻段內天線的增益、波瓣方向圖、駐波比等參數應在允許的波動范圍內。

對于UWB天線的設計，雖然與普通的微帶天線的設計方法有所不通過，但是寬帶化和小型化的理論是通用的。文獻[3-4]通過將貼片單元集成天線陣列，從而達到拓展帶寬的目的，但是很顯然，陣列結構會占據很大的空間，對于高要求的終端設備這種設計達不到要求。由于UWB天線的超寬帶特性，為了避免與傳統窄帶間的干擾，故而又產生了一些特殊的帶陷要求。

近年來，人們試圖從時域、頻域、空間編碼等各個方面尋求方法來以解決它們之間的干擾問題。具體來講，所采取的主要措施有脈沖波形設計、平滑PSD、窄帶干擾抑制算法等。但是這些方法，大都是通過設計脈沖波形或者接收機裝置來回避UWB與其它窄帶通信的干擾，這樣的方案最終實現起來是比較復雜的。另外一種常用并且比較簡單的方法是采用陷波設計，如文獻[5]就采用這種方法設計了一種蝶形天線。但是這種方案會給系統造成額外的開銷，因此對于小系統來講也不是最理想的。最直接的方法就是在超寬帶天線上增添附加的結構直接實現帶陷功能。本文將應用這種方法設計認知無線電射頻前端的超寬帶天線。所以，本文設計的天線既實現了寬帶和帶陷的功能，而且還滿足了人們對新型天線的平面化，小型化，且易于加工的要求。下面我們以平面單極天線為基礎來設計所需的天線。

UWB天線的設計

平面單極天線的大小主要是由頻帶低端值決定的，對于規則平面輻射言，要求駐波比不大

于2且可以通過簡單的圓柱體模型計算天線能夠達到的最低頻點。如圖1所示，將圓柱體沿母線切開，可得到

其實，這個表達式只是一個天線模型的原始理論表達式，天線的最終結構尺寸還要根據所設計的具體結構參數來調整，并加以優化。由文獻[6]可知，饋點間隙g對天線性能的影響很大。隨著g的減小，介質上表面的輻射貼片和下表面微帶接地板之間的電容性增大，這將導致阻抗不匹配。此外，相對于寬度a，矩形貼片的長度h對天線低頻點的影響更大。

HFSS天線仿真與分析

通過計算，仿真中心頻率設為6.85GHz，選介電常數εr=2.94的Rogers RT/ duroid 6002為天線介質基板且基板尺寸為26×28×1mm3。這符合天線結構小型化的設計初衷。天線的三維結構圖如圖2所示。

基板上表面是大小為22×15.1×0.05mm3的理想介質輻射貼片。根據微帶線計算工具，選擇εr=2.94，介質基板厚度h=1mm，輻射貼片厚度t=0.035mm，掃描中心頻率f =6.85GHz。天線采用50Ω微帶線饋電，相應的饋線寬度為2.52mm。仿真結果如圖3所示，天線的-10dB范圍在3～9.4GHz之間，與FCC對超寬帶天線帶寬規定相比還有一定的差距。

下面通過在原有的結構上挖槽的方法來拓展帶寬，以達到FCC對超寬帶天線的帶寬規定。結構如圖4所示，天線尺寸為13.6×9×0.035mm3。增加這種槽陷結構可以等效為引入了阻抗匹配元件，所以通過匹配可以達到展寬帶寬的效果。圖5給出了槽線天線的回波損耗曲線。很明顯，阻抗帶寬已經展寬并可以覆蓋3.1～10.6GHz 且S11曲線的最低值接近了-40dB。

圖6分別給出了頻點為3 GHz，

5GHz和9GHz的E面和H面方向增益曲線圖。這三個頻點總體上可以將這個頻帶內的方向圖特性表示出來。可以看出，天線基本實現了頻帶內的全向性。由于圖5所示S11曲線中9GHz附近的回波損耗不夠低，這導致了9GHz處的H面方向圖增益不是很理想。

我們還可以通過天線的另一重要參數駐波比VSWR來觀察天線在頻帶內的特性。由圖7可知，此天線在整個頻帶內的駐波比都小于2，并且在掃頻中心處的駐波比接近1，這說明其性能是比較好的。

根據前面分析過的干擾問題我們來設計具有帶陷功能的天線，以實現在3-4GHz和5-6GHz頻段內的帶阻功能，避免與傳統窄帶通信系統相互干擾。

首先，在槽內對稱地嵌入兩個不規則的矩形貼片，其長臂尺寸為1×8×0.035mm3，短臂尺寸為1.5×6×0.035mm3，中間連接部分尺寸為4.8×0.6×0.035mm3。接下來，在接地板上引入缺陷接地結構[9-10]。缺陷接地結構（DGS）是指在微帶或共面波導接地板上刻蝕出一定圖案的“缺陷”結構，這相當于改變傳輸線的有效電感和有效電容，進而改變等效電路參數，使DGS結構的微帶線具有慢波或者帶阻特性。根據這一思想，在接地板上挖兩個相互連接的矩形槽，以實現天線的帶阻特性。圖8顯示了天線的三維結構。

觀察圖9所示的S11曲線，可以發現在3～4GHz和5～6GHz之間實現了帶阻特性。此外，在9GHz附近出現了新的諧振點，這降低了該頻段內的回波損耗。

圖10顯示的3GHz，5GHz和9GHz

頻點上的方向圖增益曲線，實現了比較理想的全向性。此特性也可以通過圖11所示的3D圖形觀察得到。

從下面的VSWR曲線圖中可以看到在3～4GHz和5～6GHz頻帶內出現了兩個駐波比超過2的峰值，這實現兩個頻帶內的帶阻。

結束語

本文在

Ansoft HFSS環境下設計了超寬帶天線，實現了在3.1～10.6GHz范圍內回波損耗小于-10dB，駐波比小于2的要求。該天線可用于認知無線電射頻前端，且同時為了減小與窄帶通信間的干擾，我們改變了貼片結構并引入了缺陷接地結構，最終實現了3～4GHz和5～6GHz頻段的帶阻功能。此外，該天線結構簡單，便于制作且基本實現了小型化。