一種改進型折疊條帶帶陷UWB印刷單極子天線

惠鵬飛，周喜權(quán)，苗鳳娟，趙 巖，秦 月

(齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江齊齊哈爾161006)

美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)于2002年公布了超寬帶(UWB)用于民用的頻段，在十幾年的時間里，諸多學者圍繞超寬帶技術(shù)進行了廣泛的研究，也取得了很多的成果。UWB技術(shù)應用非常廣泛，諸如雷達成像、醫(yī)學成像、實時監(jiān)控、車載雷達等都有應用［1－2］。帶陷UWB平面印刷天線作為UWB無線通信技術(shù)的重要組成部分，也成為了研究熱點之一。帶陷超寬帶平面印刷天線主要分為兩大類:帶陷超寬帶印刷縫隙天線和帶陷超寬帶印刷單極子天線，超寬帶印刷單極子天線因其可方便和電路集成、小尺寸、易于加工等優(yōu)點而備受青睞。目前，為了使超寬帶印刷單極子天線獲得帶陷特性，可以通過在輻射貼片上開H形、2個倒L形和U形槽來實現(xiàn)，也可以通過在輻射單元上加載寄生條帶的方法實現(xiàn)［3］。文獻［4－5］采用對輻射貼片開槽的方法，對超寬帶頻率內(nèi)工作頻段的阻抗進行控制，達到陷波的目的。然而針對輻射的開槽設(shè)計容易導致天線輻射方向圖的改變，對天線實際環(huán)境中的應用產(chǎn)生不利影響。文獻［6］在饋電微帶線上集成了超寬帶濾波器，雖然具備較好的帶外抑制特性，但微帶線上集成超寬帶濾波器使得設(shè)計的復雜度增加，同時也降低了天線的全向輻射特性。

本文在總結(jié)以往設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對帶陷超寬帶印刷單極子天線進行了改進設(shè)計，利用在魚叉型輻射臂上對稱加載了兩個折疊條帶，調(diào)整折疊條帶和縫隙的尺寸可以使天線具備良好的帶陷功能，同時還可以獲得近似的全向性和平坦的增益特性，設(shè)計方法得到了很好的驗證。

1 參數(shù)估算和天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 天線設(shè)計參數(shù)估計方法

微帶天線輻射貼片表面的電流分布規(guī)律與天線的中心頻率和工作模式有很大的關(guān)聯(lián)，電流路徑法是借助于對輻射貼片表面的面電流路徑長度的判斷來近似估算貼片的諧振頻率。可以通過對輻射貼片面電流分布規(guī)律的分析，來進一步優(yōu)化微帶天線的尺寸和結(jié)構(gòu)，最終使得天線的整體性能符合技術(shù)要求，實踐表明這種參數(shù)估計方法非常直觀有效，已經(jīng)被廣泛采用，主要用來分析縫隙輻射貼片、雙頻天線或者寬頻帶天線［7］。

式中:c代表光速;Le表示等效電流路徑長度;εe表示等效介電常數(shù);W總表示貼片的寬度;h表示介質(zhì)基板的厚度;εr表示介質(zhì)的介電常數(shù)。

式(1)是利用對UWB印刷單極子天線截止頻率的計算，來估計一些規(guī)則形狀天線的尺寸參數(shù)，規(guī)則形狀可以是圓形、方形或矩形等。而實際設(shè)計的UWB印刷單極子天線往往都是不規(guī)則形狀，對于不規(guī)則形狀天線尺寸的估算，需要通過計算天線的第一諧振頻率才能估算出天線的尺寸參數(shù)。第一諧振頻率計算法相比于電流路徑法更簡便可行，也得到了廣泛的應用。

為了進一步揭示U形狀印刷單極子天線表面的面電流分布規(guī)律，利用HFSS軟件進行仿真分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 U形狀印刷單極子天線面電流分布圖

從圖1不難發(fā)現(xiàn)一個基本規(guī)律，即電流主要集中在U形輻射貼片的終端邊緣部位以及微帶饋線上，而其余部分電流很小，由此可以得出等效電流路徑的長度為

式中:L和W分別表示輻射貼片的長度和寬度;d表示間隙的寬度。

為進一步得出天線的S11仿真曲線，給出一組天線尺寸參數(shù):L=14mm，W總=14mm，εr=3.5，h=1.2mm，d=1mm，W=5.65mm，圖2表示了在上述天線尺寸參數(shù)下仿真的第一諧振頻率S11曲線，由式(1)計算的f第一中心頻率近似為3.82 GHz，而通過 HFSS12.0 軟件運算所得的第一個諧振頻率為4.10 GHz，誤差僅為7.2%，因此電流路徑法是估計天線參數(shù)尺寸很有效的方法，當然此處得出的僅僅是參數(shù)的初值，最終的參數(shù)值要通過HFSS優(yōu)化得出。

1.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文對上述基本的U型印刷單極子天線進行了改進設(shè)計，在兩個基本的輻射臂上分別引出兩個折疊條帶，條帶的寬度和長度記為L1×W1，折疊條帶和輻射臂之間留有縫隙，縫隙的長度和寬度記為L2×W2，從而保證天線實現(xiàn)帶陷功能。選取厚度為1.5 mm的聚四氟乙烯作為天線介質(zhì)基板，該板損耗角正切tanδ≤0.001，εr=3.5，利用50Ω微帶線進行饋電，介質(zhì)基板的寬度和長度記為Wsub×Lsub。為了確保天線具備超寬帶性能，接地面并未全部覆蓋整個基板底部，而是采用有限面積的接地面，長度記為Lg。改進后的天線整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中左側(cè)為側(cè)視圖，右側(cè)為正面圖。

圖2 第一諧振S11仿真曲線圖

圖3 UWB天線的整體結(jié)構(gòu)圖

通過前面介紹的電流路徑法可知，UWB印刷單極子天線輻射貼片的參數(shù)尺寸的初值估計，可以通過天線的第一諧振頻率的計算得到。按照本論文的設(shè)計要求，第一諧振頻率為4 GHz，由式(1)可以近似計算出輻射貼片長度約為14.6 mm。為了進一步調(diào)節(jié)天線的匹配帶寬到期望值，可以通過調(diào)整輻射貼片的寬度來實現(xiàn)。表1中列出了經(jīng)過HFSS軟件優(yōu)化和仿真之后的天線的各項參數(shù)尺寸。

表1 HFSS優(yōu)化后的天線各項參數(shù)尺寸

2 天線仿真分析和參數(shù)測試

根據(jù)HFSS12.0優(yōu)化和仿真的結(jié)果確定了UWB印刷單極子天線的最終尺寸，按照上述數(shù)據(jù)制作了天線實物如圖4所示。用PNA3623矢量網(wǎng)路分析儀對天線進行參數(shù)測量，主要測試天線的回損特性和VSWR(駐波比)等數(shù)據(jù)，并把測試數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進行了對比分析，結(jié)果如圖5所示，通過對比曲線可以看出，測試結(jié)果和HFSS仿真計算結(jié)果基本一致，設(shè)計方法正確。測試該天線的阻抗帶寬可以覆蓋3.04 ～10.95 GHz，阻帶的頻率范圍約為4.95 ～5.97 GHz，絕對帶寬約為 7.88 GHz，滿足設(shè)計要求，完全具備超寬帶性能。

圖4 超寬帶印刷單極子天線實物(照片)

圖5 3種情況下的駐波比仿真和實測曲線

由圖5的3條曲線對比可以知道，輻射貼片上加載折疊條帶時，駐波比曲線出現(xiàn)尖峰，天線明顯具備帶陷功能;當沒有折疊條帶時，駐波比曲線平坦，帶阻特性消失。由此可見，在原有U型輻射臂上對稱加載兩個折疊條帶，可以使天線具備良好的帶阻特性。如需改變帶阻特性，可通過調(diào)整折疊條帶和縫隙的尺寸實現(xiàn)，下面對此進行了詳細的分析。

利用HFSS12.0對天線的性能做進一步仿真分析和研究，觀察折疊條帶和縫隙的尺寸變化對天線回損特性的影響，分析結(jié)果如圖6a～6d所示。為了更清楚地觀察規(guī)律，此處讓尺寸在小范圍內(nèi)變化，即條帶長度調(diào)節(jié)范圍為10.2 ～10.8mm，條帶的寬度W1調(diào)節(jié)范圍為1.7 ～2.3 mm，縫隙長度L2變化范圍為8.4～8.6mm，縫隙寬度W2變化范圍為0.4～0.6mm。由圖6a、6c和6d回損變化曲線可以看出，當縫隙的長度L2和寬度W2以及加載條帶的長度L1逐步增大時，陷波頻段的帶寬以及中心頻率都會隨之減小。由圖6b可以看到，加載條帶的寬度W1從1.7mm以0.3mm的間隔遞增至2.3 mm，帶陷頻段的中心頻率也逐漸變大，但天線的第一諧振頻率幾乎保持不變。

圖6 天線的回損頻率變化曲線

圖7表示了不同的接地面長度下天線回損特性變化曲線。從圖中可以看出，當接地面長度Lg為12 mm或者14 mm時，天線的高頻特性和陷波特性均明顯變差，為了得到良好的陷波特性和提高天線的性能，必須設(shè)法調(diào)節(jié)接地面長度Lg至最佳值。

圖7 不同接地面長度L g下的回損變化曲線

為了整體衡量天線的性能，除需要觀察阻抗帶寬特性之外，還需要考察天線的方向圖特性，看方向圖帶寬是否穩(wěn)定。在HFSS12.0環(huán)境下仿真得出了5個不同頻率點上天線的歸一化E面方向圖，如圖8所示，該E面歸一化方向圖和半波偶極子輻射場方向圖相似。圖9表示5個不同頻率點上天線的實測歸一化H面方向圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著頻率的提高，方向圖逐漸變差，這主要是由于低頻輻射場所產(chǎn)生的高次諧波造成。盡管高頻段天線的方向圖變差，但在全部工作頻帶內(nèi)天線仍然基本保持對稱性和全向性。

圖8 天線的歸一化E面方向圖(仿真)

圖10表示了整個頻段內(nèi)天線的增益變化曲線。從測試曲線可以看出，在陷波頻帶以外的工作頻帶內(nèi)，天線基本保持了較為平坦的增益特性，增益的均值約為2 dBi。在5.14～5.85 GHz的陷波頻段內(nèi)，增益明顯下降，大約下降至－4 dBi，和其他工作頻段相比下降了約6～8 dBi，這說明該超寬帶印刷單極子天線具有明顯的陷波特性。

圖9 天線的歸一化H面方向圖(實測)

圖10 天線增益變化曲線(實測)

3 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種改進型的UWB印刷單極子天線，在U型輻射臂上對稱加載了兩個折疊條帶，使天線具備了帶陷功能，借助于HFSS軟件詳細分析了折疊條帶和縫隙的尺寸變化對天線性能的影響。實際制作了天線的實物，測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。該天線的阻抗帶寬可以覆蓋 3.04 ～10.95 GHz，阻帶范圍約為 4.95 ～5.97 GHz，絕對帶寬為 7.88 GHz，完全具備超寬帶性能。該天線的尺寸僅為31mm×35mm，加工方便且容易集成，可以廣泛應用在短距離無線通信系統(tǒng)中。

［1］胡帥江，王光明，張晨新.一種新型陷波特性超寬帶天線設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2012，36(19):80－82.

［2］ BAO X L，AMMANN M J.Printed band－rejection UWB antenna with H－shaped slot［J］.Antenna Technology:Small and Smart Antennas Metamaterials and Applications，2007:319－322.

［3］郭晨，劉策，龐銳.改進型超寬帶Vivaldi天線設(shè)計與仿真［J］.電視技術(shù)，2012，36(19):151－154.

［4］程勇，呂文俊，程崇虎.一種小型陷波多用途超寬帶天線［J］.微波學報，2007(1):20－24.

［5］ YIN K，XU JP.Compact ultra－wideband antenna with dual bandstop characteristic［J］.IET Electronics Letters，2008，44(7):453－454.

［6］ QU Shiwei，LIJialin，XUEQuan.A band－notched ultrawideband printed monopole antenna［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2006(5):495－498.

［7］徐海洋，張厚，梁建剛.新型超寬帶單極子天線的設(shè)計［J］.電訊技術(shù)，2011，51(8):121－123.