基于U形槽陷波的共面波導超寬帶天線

摘 要：針對超寬帶系統易受IEEE802.11a無線局域網（WLAN）的干擾問題，提出了帶有U 形槽的平面超寬帶天線。該天線采用共面波導饋電，并在波導饋線處刻蝕一U形槽實現5.1～5.9 GHz的陷波。仿真結果表明，在2.7～12GHz的范圍內，該天線阻抗帶寬為9.3GHz（126%），帶 寬內具有良好的阻抗特性和全向輻射特性，并且在5.1～5.9GHz頻帶內具有明顯的陷波特性，能 夠有效地抑制WLAN之間的干擾，是一種性能較好，易于集成，有實用價值的陷波超寬帶天線。

關鍵詞：超寬帶（UWB）天線；陷波特性；共面波導（CPW）；U形槽

中圖分類號：TN822+.8 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）01-0021-05

ABandNotchedCPWUWBAntennawithUShapedSlot

JITao，LUXindong

（Xi’anInstituteofElectromechanicalInformationTechnology，Xi’an710065，China）

Abstract：Anovelplanarultrawideband（UWB）antennaisproposed，whichhasabandnotched characteristicfortheinterferencebetweentheUWBapplicationsandtheIEEE802.11awirelesslocalarea network（WLAN）.Theproposedantennafedbycoplanarwaveguide（CPW）withabrokenUshapedslot whichcanbeusedtorejectthefrequency5.1to5.9GHz.Thesimulationresultsshowthat，theimped ancebandwidthis9.3GHz（126%）withinthefrequencybandof2.7to12GHz，andtheantennahasob viousbandnotchedcharacteristicsinthenotchedbandwhichcaneffectivelypreventtheinterferenceof WLAN.AlsogoodimpedancecharacteristicandOmnidirectionalradiationpatternsareobtainedoverthe frequencyband.Theperformanceoftheproposedantennashowsthatitisakindofgoodperformance， easyintegration，bandnotchedUWBantennawithpracticalvalue.

Keywords：UWBantenna；bandnotchedcharacteristic；coplanarwaveguide（CPW）；Ushaped slot

0 引 言

自從2002年美國聯邦通信委員會（FCC）將 3.1～10.6GHz的超寬帶（Ultra-Wideband， UWB）頻段劃歸商業頻段[1]，UWB平面天線憑借 其體積小、帶寬寬、一定的輻射效率、全向輻射特 性、簡單的制作工藝、低成本、易集成和高傳輸速率等優點成為了通信系統的研究熱點[2-4]。

但是，由于現有IEEE802.11a無線局域網 （WLAN）其頻率范圍5.15～5.825GHz也在UWB 頻帶范圍內，為避免UWB通信與其相互干擾，需 使UWB系統在WLAN頻帶上產生阻斷，濾除干 擾[5-7]。在傳統的超寬帶系統應用中，UWB系統 可以利用濾波器濾除這些干擾頻段。然而，濾波器 的使用勢必會增大UWB系統的復雜性，增加生產 成本，同時受到天線和濾波器的物理性質的限制， 天線和濾波器不可能無限制被超小型化[8]。為了 抑制系統間的干擾而又不提高成本，一種簡單而有效的方法就是使UWB天線在WLAN的頻段內 呈現較大的反射系數，即具有陷波功能。

近年來，這種具有陷波功能的小型平面超寬 帶天線已經成為一個熱門的研究課題。據不完全 統計實現單極子UWB天線的陷波功能有以下幾種 方法。一種是在天線的輻射體或者接地板附近引 入一些寄生元件，比如引入C形寄生元件或增加 諧振器等[9-10]；第二種是在輻射體或者接地板上 刻蝕一種或多種不同的槽線來達到陷波功能，比 如在輻射體上刻蝕C形槽，SRR諧振環等[11-12]； 還有一種方法是加載帶狀線或者枝節來實現陷 波[13-14]。這幾種方法都可以達到很好的濾波特 性，并且同在UWB系統中增加濾波器相比較，這 些陷波方法均可使得UWB系統和天線的設計復雜 性變小，利于集成化小型化，且又無需額外的帶阻 濾波器。例如，文獻[15]就提出了一種5.2GHz刻 槽式SRR諧振環UWB天線，該天線滿足所有關鍵 的要求。然而，阻帶頻帶在5～5.3GHz不能完全 地濾除整個WLAN頻段的干擾。文獻[16]則提出 了一種具有雙阻帶特性寬帶平面單極子天線，該 天線的帶寬范圍是2～6GHz，某些情況下難以滿 足UWB系統的要求。為此，提出了基于U形槽的 共面波導（coplanarwaveguide，CPW）超寬帶平面天 線，以實現3.1～10.6GHz的寬頻帶和在WLAN 頻帶上的陷波。

1 超寬帶天線和陷波原理

1.1 超寬帶天線

文獻[17]中提出了一種不帶陷波結構的共面 波導超寬帶天線結構，如圖1所示，該天線可實現 3.0～11.0GHz的寬頻帶（VSWR≤2），其中接地 板和輻射貼片分別被切去兩個角，使之成為一種 漸變結構。這種結構一方面可使天線的諧振從一 個頻率平穩地過渡到另一個頻率，另一方面通過 增加電流路徑，使天線在較寬的頻帶內都可以獲 得很好的阻抗匹配效果[5，18]。

1.2 天線陷波原理

UWB天線主要是通過在輻射體或者接地板上嵌入或添加特定形狀的結構來改變天線上電流分 布以達到陷波功能。實現UWB天線在干擾頻段內 的陷波有多種方法，而開槽是其中最為主要的一 種方法，這種方法被廣泛應用主要是因為它能有 效減小天線尺寸，使UWB超寬帶天線具有小型化 特性。在輻射體上添加C形槽或T形槽結構，主要 是調節刻槽的長度到半波長，形狀的不同只是受 開槽位置和貼片結構的影響。另外，它也可以添加 SRR諧振環來達到陷波，不過諧振環多用于雙陷 波或多陷波結構。例如，文獻[18]就提出了一種圓 弧形C形槽和兩個L形線諧振器的雙層介質板結 構的UWB三陷波天線，該天線在2.75～11.4GHz 具有很好的阻抗特性，但其中在5.6～5.94GHz頻 帶上的陷波只包含了部分WLAN頻帶。文獻[19] 提出了一種在矩形天線一側開一條窄縫，并在輻 射貼片中心引入一倒U形槽的微帶線饋電UWB天 線，該天線在5～5.9GHz實現了陷波。

為此，在共面波導饋線處引入一U形槽實現 陷波，其結構如圖4所示。其中基板材料為FR- 4，相對介電常數εr=4.4，厚度H=1mm，損耗角 正切tanδ=0.02，天線尺寸為L×W=30mm×48 mm。低成本FR4基板使得天線的設計產生了額外 的復雜性，這種復雜性主要是由于不準確的FR4 相對介電常數所引起的，它可以引起工作頻率的 些許改變。天線采用阻抗為50Ω的共面波導饋 電。由于天線和饋線在同一平面上，且只有一層單 面金屬基板，所以天線是較容易加工和低成本的。 U形槽刻蝕在共面波導饋線上，總長度為L10（L10 =L9+2L8），這里可以通過式（1）來計算出U形槽 的初始設計尺寸。最終所設計的超寬帶天線具體 參數如表1所示。

3.1 U形槽的陷波特性分析

為了實現共面波導超寬帶天線在WLAN頻段 處的陷波功能，U形槽被引入到天線之中，以實現 此功能。U形槽的參數對天線的性能有不同的影 響，這部分將主要討論參數的變化對其陷波特性的具體影響，這些參數分別是：U形槽的總長度 L10，槽底部長度L9，刻蝕槽縫隙寬度W3和U形槽 的位置L6。

圖10是該天線在不同頻率4GHz，5.5GHz，7 GHz，7.5GHz和10GHz下的電場E-Plane和磁 場H-Plane的主極化輻射方向圖（co-polariza tion）和交叉極化輻射方向圖（cross-polarization）。 天線H-Plane的主極化方向圖在2.7～7.5GHz 頻段內近似為等幅度全向天線，當頻率大于7.5 GHz時，方向圖邊沿不再一直保持最大值，有了小 幅度的凹陷。交叉極化隨天線頻率的增加而增加， 在7.5GHz附近時變得與主極化幾乎等幅度。在 5.5GHz時天線H-Plane的主極化方向圖形狀幾 乎沒有變化，但與4GHz和7GHz相比，最大增益 衰減了至少5dB。天線E-Plane主極化方向圖在 全波段呈一個近似的“8”字形，與偶極子天線方向 圖近似，并且在全波段頻率內交叉極化幅度均小 于-20dB。在5.5GHz時天線E-Plane的主極化 方向圖形狀幾乎也沒有變化，但與4GHz和7GHz 相比，最大增益同樣也衰減了至少5dB。這進一步 表明，該單極子天線在整個工作帶寬內滿足輻射 一致性的要求。

圖11是該陷波天線的增益圖。由圖可見，天 線在2.7～12.0GHz頻帶內，增益從0.6dB到 5.96dB，具有較好的增益特性。且在陷波頻段上的增益下降了5dB，天線表現出了明顯的陷波特 性，達到了對干擾頻段WLAN的抑制作用。

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