基于U形槽的超寬帶三陷波天線的設計

侯翔宇，張興紅，李奕銳，李 三，劉淼源

（重慶理工大學 兩江國際學院，重慶 401135）

超寬帶無線電技術最初一直作為機密通信項目，一直在軍事領域中被限制使用，起初主要應用在軍事雷達和雷達監測等一些重要保密的領域，嚴禁用于其他領域［1］。2002年美國聯邦通信委員會通過了允許超寬帶技術用于民用的規范，并將3.1～10.6 GHz的頻率范圍分配給通信系統和測量系統使用［2-4］。超寬帶技術在航空器中得到廣泛的應用，例如無人機的相對導航、無人機的室內定位和集群定位以及艦載無人機的自動著艦等技術領域均涉及超寬帶技術的應用［5-8］。因此，隨著雷達、航天航空器等的快速發展以及遙測、通信技術的不斷提高，對超寬帶天線提出了更多、更苛刻的要求［9］。

作為超寬帶通信系統中的關鍵模塊，超寬帶天線具有成本低、易于小型化、易于加工等優點，所以超寬帶天線的研發逐漸成為無線通信領域的焦點。然而，在無線通信技術飛速發展的同時，各種通信協議也隨之日益增多，因此造成了可利用的頻譜資源越來越少，而由此對超寬帶系統造成的影響則來自多個窄帶通信系統與超寬帶系統之間形成的相互干擾［10］。例如WiMAX窄帶通信系統、WLAN窄帶系統以及X波段通信衛星下行波段信號的頻段，其頻段分別為3.3～3.8 GHz、5.15～5.825 GHz以及7.25～7.75 GHz，這3個頻段均包含于超寬帶通信系統的工作頻段3.1～10.6 GHz中，因此我們要采取有效過濾的措施來避免這些窄帶系統對超寬帶系統產生的干擾［11］。如果在系統中添加濾波器件，將會增大系統的復雜程度，從而對系統的集成化與小型化產生不利效果，因此本文從天線的自身結構去著手解決這個問題，也就是在超寬帶天線的基礎上使其具有陷波功能，因為具有陷波功能的天線將更加有利于超寬帶系統的大規模集成以及小型化，因此超寬帶陷波天線成為研究的熱點［12-15］。

近年來，對超寬帶天線在固定頻段的陷波已經可以實現，例如文獻［16-17］中提到的單陷波和雙陷波天線，但是固定頻段的陷波具有一定的局限性，不足以靈活應對天線在不同應用環境中對不同頻段進行陷波處理的需求，于是出現了文獻［18］中提到的通過改變天線表面縫隙的相關參數來實現對陷波頻段進行微調的陷波天線，但是微調的范圍相對較小。文獻［19-20］提到了可以實現雙陷波到三陷波進行切換的天線，雖然具有一定的靈活性，但其本質上仍是固定頻段的陷波天線。

本文基于文獻［21］中的提到的一種天線模型，提出了一種新穎結構的三陷波單極子超寬帶天線，采用微帶線饋電方式，通過引入3個U形槽來實現超寬帶天線在WiMAX、WLAN以及X波段信號下行頻段這3個頻段的陷波。相比其他不規則形狀的縫隙，U型槽可以使貼片形成多調諧電路，從而降低Q值展寬帶寬，并且U形槽具有一定的對稱性，對天線方向圖干擾較小。

1 天線的結構與設計

1.1 天線的結構

本文中提出的超寬帶三陷波天線主要由介質基片、輻射貼片、接地板、微帶饋電線以及3個U形縫隙組成。介質基片的材料為介電常數為4.4的FR4基片，其損耗正切為0.02。天線厚度為h＝1 mm，尺寸為30 mm×30 mm，通過3個U形槽來分別實現超寬帶天線在WLAN、WiMAX以及X波段衛星通信下行頻段這3個頻段的陷波特性。

圖1為天線的結構示意圖，經優化后天線的最終設計尺寸如表1所示。

圖1 天線結構示意圖

表1 天線結構參數

1.2 天線的設計過程

原始超寬帶天線的工作頻段為3～10.7 GHz，在超寬帶天線的基礎上實現三陷波特性主要分為3個步驟，如圖2所示。

圖2 天線設計步驟示意圖

步驟1：在已有的超寬帶天線的輻射貼片下部刻蝕U形槽，形成陷波阻帶，通過調整和優化a、b、c、d尺寸參數，實現對WLAN的陷波。對b尺寸參數進行調整可以調整單陷波頻段。

步驟2：在天線的輻射貼片上部刻蝕U形槽，通過調整和優化o、u、k尺寸參數，形成WiMAX頻段的諧振，實現該頻段的陷波，通過調整a尺寸參數，可以對雙陷波頻段進行微調。

步驟3：在天線接地板上刻蝕U形槽，通過調整和優化a1、b1、c1尺寸參數，實現X波段下行頻段的陷波，通過調整b1尺寸參數，可以調整三陷波頻段。

陷波中心頻率與U形槽長度尺寸的關系為

式中：fn為陷波中心頻率；c為光速；L為U形槽長度尺寸；εe為等效介電常數；εr為介質基板的介電常數。

圖3為三陷波超寬帶天線設計過程中S11參數曲線。

圖3 各步驟天線對應回波損耗

步驟1對應圖中單陷波曲線，從圖中可以看出在超寬帶頻段（3～10.7 GHz）中，在5.0～5.83 GHz出現陷波特性；步驟2對應雙陷波曲線，從圖中可以觀察到：在步驟1的基礎上通過在輻射貼片上部刻蝕U形槽從而實現3.28～3.7 GHz的陷波特性，天線帶寬幾乎無變化，且第2個U形槽的刻蝕對第1個U形槽形成的陷波頻段影響不大；步驟3對應三陷波曲線，在步驟2的基礎上通過在接地板中部刻蝕U形槽從而實現7.17～7.86GHz頻段的陷波特性，天線帶寬幾乎無變化，且第3個U形槽的刻蝕對前2個U形槽形成的陷波頻段影響不大，3個陷波頻段基本上覆蓋了WLAN、WiMAX和X波段信號下行頻段。將三陷波天線的回波損耗曲線同原始超寬帶天線的回波損耗曲線進行對比可以發現，三陷波天線的工作帶寬較原始超寬帶天線而言在低頻3～3.4 GHz部分有一定程度的延展，回波損耗特性優于原始超寬帶天線，在5.9～7.1 GHz頻段三陷波天線的回波損耗大大低于原始超寬帶天線，在高頻10～10.4 GHz部分回波損耗特性優于原始超寬帶天線，在高頻9～10 GHz部分回波損耗特性相對于原始超寬帶天線較差，三陷波天線的其他通帶頻段回波損耗較原始超寬帶天線差異較小，故在原始超寬帶天線的基礎上刻蝕3個U形槽之后，在實現3個頻段陷波的同時還使得天線帶寬發生延展，回波損耗特性有所改善。

1.3 天線參數對陷波特性的影響

圖4為U形槽對天線回波損耗的影響。調整位于天線輻射貼片上的WLAN頻段U形槽的a、b尺寸參數，天線接地板上的X波段信號下行頻段U形槽的b1尺寸參數，會使陷波頻率產生偏移，從而實現陷波頻率可調。

圖4 天線參數對回波損耗影響

2 天線輻射性能分析

2.1 天線電流分布

為了能夠更加直觀地展示出在輻射貼片上開槽能夠使得天線在特定的頻段內具有陷波特性，下面通過HFSS進行仿真并給出本文設計的陷波天線其在特定的陷波頻段的中心頻率的電流分布圖。圖5所示為在3.4、5.7和7.37 GHz 3頻率點處電流分布。在輻射貼片和接地板上所開的U形槽改變了輻射貼片的電流分布，使表面電流集中在U形槽附近，在陷波頻率相應U形槽為諧振點，能量集中在陷波結構中并未向外輻射，在其他頻率點時U形槽則未處于諧振狀態。

圖5 各頻率電流分布

2.2 天線遠場區輻射方向圖

圖6給出了三陷波天線分別在3、5、7和9 GHz這4個頻點處的遠場E面以及遠場H面輻射圖，這4個頻點分別位于三陷波天線的4個通帶范圍內。從圖6中可以看出：該天線在E面輻射方向圖近似偶極子，在3 GHz和5 GHz兩個頻點處呈8字形，具有良好的方向性，但在7 GHz和9 GHz這兩個頻點呈不規則8字形。天線的H面方向圖在低頻段具有良好的全向性，近似為等幅全向且具有對稱性，但在7 GHz和9 GHz所在的高頻部分H面輻射場強有所減弱，但輻射強度仍滿足超寬帶天線的通信要求。從天線的輻射方向圖可以看出：超寬帶三陷波天線為全向型天線，且適用于大多數超寬帶技術應用的場景，例如基于超寬帶技術的近距離精確室內定位、超寬帶短距離通信技術以及之前提到的無人機的相對導航和室內定位等應用場景。

圖6 天線遠場輻射圖

2.3 天線駐波比

圖7為三陷波天線對應的VSWR圖，從圖中可以看出：在WLAN頻段內天線駐波比有一尖峰，在WiMAX頻段內有一尖峰，在X波段衛星通信下行波段對應頻段有一尖峰，WLAN頻段內駐波比為3.5，WiMAX頻段內駐波比為4和X波段衛星通信下行波段對應頻段駐波比為4.5，其余超寬帶頻段的駐波比均小于2，所以在3個陷波頻段內天線能量反射損耗較大，具有良好陷波特性，且在3～10.7 GHz其余頻段內均滿足超寬帶天線特性。

圖7 陷波天線駐波比

2.4 天線回波損耗

圖8為三陷波天線回波損耗，從圖中可以看出：天線在WLAN頻段、WiMAX頻段以及X波段信號下行頻段的回波損耗最高達到-5 dB，且在3～10.7 GHz范圍內其余頻段對應的回波損耗均達到-10 dB以下，滿足超寬帶天線工作要求。

圖8 陷波天線回波損耗

3 結論

本文中提出的超寬帶三陷波天線通過在超寬帶微帶天線上刻蝕3個U形槽來實現WiMAX頻段、WLAN頻段以及X波段信號下行頻段這3個頻段的陷波，可正常工作的頻帶約為6 GHz，通過仿真驗證了天線具有較好的陷波效果。具有易于小型化、易于加工制作的優點，在原有超寬帶天線基礎上增加3個頻段的陷波之后，依舊保持了在超寬帶頻段較好的輻射性能，且在部分頻段天線輻射性能要優于開縫之前。相比在天線設備前端加帶阻濾波器的方案，本文所設計的超寬帶三陷波天線更具有工程應用價值，使用微帶線饋電更容易形成大的天線陣列。