一種五陷波超寬帶天線的設計*

廖銀霜1,王代強**

(1.貴州大學 大數據與信息工程學院,貴陽 550025 ；2.貴州民族大學 機械電子工程學院，貴陽 550025)

0 引 言

2002年，3.1～10.6 GHz頻段在被聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，FCC)宣布劃歸為超寬帶的民用頻段之后便受到了廣泛關注[1]。但是由于超寬帶通信系統的工作質量常受到窄帶信號的影響，所以研究人員通過采用在輻射貼片、饋線以及接地面上蝕刻不同形狀的槽或者在饋線及貼片附近添加導體結構[2-11]等方法來抑制其干擾。例如：文獻[2]采用在基礎天線背面附加雙偏T寄生單元和在輻射貼片上開窗的聯合方法；文獻[3]把開口圓環和倒U形槽蝕刻在貼片及饋線上得到雙陷波；文獻[4]在貼片、饋線及接地板上加載啞鈴型、U型縫隙和矩形縫隙；文獻[5]通過在貼片上蝕刻對稱的L型槽、圓環形槽以及在饋線旁放置一對C型支節；文獻[6]在貼片和接地板分別加入U型、L形縫隙并引入寄生條帶，從而獲得3個陷波；文獻[7]在貼片上蝕刻4個U型槽和在接地板上挖掉一個L型結構；文獻[8]采用多個互補開環諧振器；文獻[9]通過放置一對 L 形槽、互補的同向開環諧振器和C 形槽；文獻[10]設計S-SCRLHs諧振器，實現4個陷波特性；文獻[11]在貼片和缺陷接地板上共蝕刻了5個C型槽，獲得5個陷波特性。以上文獻中的方法均能在頻帶范圍內得到良好的阻抗特性和輻射方向特性，但陷波個數較少，且部分天線不可通過略微修改結構尺寸來改變陷波頻帶以滿足工程需求，因此應用到超寬帶通信系統中時有一定的局限性。

為了彌補以上文獻設計中的不足，本文特設計了一種具有五陷波特性的天線。本文所設計的天線采用秤砣型貼片作為輻射結構，接地板上挖掉兩個對稱L形結構，并在貼片上蝕刻兩個不完全封閉的口字型槽以及在饋線兩邊加入兩個類U形諧振器。仿真與實測結果表明，該天線引入了5個性能良好陷波，且陷波頻帶易于調諧。

1 天線設計和分析

文中所設計的超寬帶陷波天線結構如圖1所示。設計過程如下：首先，通過切割矩形貼片的兩個角得到基本單極子天線，呈現出來猶如一個倒放著的秤砣。在貼片上蝕刻兩個不封閉的長度不同的口字型槽，如圖2(a)、(c)所示；其次，在接地板挖掉兩個對稱的L形縫隙，如圖2(b)所示；最后，將兩個類U形諧振器耦合在饋線附近，如圖2(d)、(e)所示，最終所設計的天線如圖2(f)所示。由圖3所示的仿真結果可知，第一個不封閉口字型槽不單獨對天線產生陷波特性，在其他結構加入后，由于結構之間的互耦作用產生陷波特性，最終該天線實現了五陷波特性。

圖1 天線的結構

圖2 天線演化過程

(a)天線1～5的S11曲線

當將所嵌入的不封閉口字形槽的總長度大約為其所在陷波頻段中心頻率波導波長的二分之一且不封閉口字型槽的寬度選擇恰當時，在該頻率點及其兩端出現輸入阻抗異常現象，阻抗失配天線在該頻段內產生較大的反射系數，從而獲得陷波特性[12]。用公式可表示為

(1)

式中:Ld為理論計算槽和諧振器的長度， c表示光速，fnotch表示陷波頻段對應的中心頻率，εr表示介質板的相對介電常數。此外,調整饋線兩端的類U型諧振器和接地板上L形縫隙的長度、寬度也會分別在相應頻段產生陷波特性。天線基板使用Rogers 5880，基板厚度為0.8 mm，介電常數為2.2，損耗角正切為0.000 9。天線的設計和優化均在HFSS15.0 平臺上進行，其參數值見表1。

表1 天線優化參數

2 陷波特性分析

2.1 參數討論

圖4是不同長度的兩個不封閉口字型槽、L形槽及類U形諧振器的反射系數S11曲線仿真圖，可以看出通過調節參數L6、La、L9、W5、W3的值可改變其對應陷波的中心頻率，并且在保持陷波特性的同時，其對周圍陷波的性能影響較小。

圖4 天線S11隨L6、La、L9、W5、W3變化的仿真曲線

2.2 表面電流分布

對天線的表面電流進行仿真分析可進一步解析陷波原理，結果如圖5所示。由圖5可知，第一個陷波中心頻率3.85 GHz處的表面電流主要集中在輻射貼片上外環的不封閉口字型槽的開口處，第二個陷波中心頻率4.7 GHz處的表面電流主要分布在接地板的L形槽拐彎處，第三個陷波中心頻率5.7 GHz處的表面電流分布在輻射貼片上內環的不封閉口字形槽附近，第四、五個陷波中心頻率6.85 GHz、8.3 GHz處的表面電流集中在饋線兩旁的類U形諧振器附近。天線在這5個頻率點附近產生較大的衰減和阻抗失配，形成陷波。

圖5 不同頻率下的表面電流

3 天線實測結果與性能分析

為驗證本設計的性能指標，對該天線進行了實物加工，如圖6所示。

圖6 天線實物圖

天線的反射系數是反應天線工作性能的重要參數。由圖7中的S11實測與仿真曲線可得天線的帶寬為3.01～12 GHz，通帶內S11<-10 dB,有5個明顯的陷頻段。由于天線存在工藝尺寸誤差和測量損耗，實測和仿真的結果有微小出入，但整體上基本吻合。

圖7 仿真和實測S11曲線

圖8為3.95 GHz、5.1 GHz和7.8 GHz三個頻率點的天線輻射H面、E面方向圖，可以看到，在以上頻率點H面為圓形，E面基本為類“8”形，故可以看出在整個工作頻帶中天線具有近似的全向性以及較好的定向性。

(a)3.95 GHz

圖9為天線增益的仿真與實測對比，由圖可知天線在2～9 GHz通帶內增益穩定在-1～4 dBi，在陷波處的增益急劇下降,分別下降到-3 dBi、-2.5 dBi、0.5 dBi、-10.5 dBi和-5.5 dBi左右，但在整個通帶頻段內除8.3 GHz頻點處實測增益與仿真增益吻合較好以外，其余處的增益均有出入，此現象產生的原因有以下兩個：一是兩個互相嵌套的不封閉口字型槽相離太近，且內槽的寬度過窄，槽長度過長，導致第三個陷波處增益沒有下降到理想值；二是兩個類U型諧振器離饋線過近，距離僅為0.2 mm，導致第四個陷波處的增益發生偏移及6.85～7.8 GHz、8.5～12 GHz兩個頻段的增益不理想。針對這兩個問題有兩個解決辦法：一是減小不封閉口字型內環槽的長度，使其遠離外環槽，從而減少互耦抑制作用的影響；二是調整類U型諧振器的尺寸，同時增大類U型諧振器與饋線的距離，或者將類U型諧振器的形狀改變成方形螺旋狀諧振器，方形螺旋諧振器的尺寸與類U型諧振器的尺寸近似，這樣不僅可以減少諧振器與饋線平行部分的尺寸，消除高頻部分存在的高次模對增益的影響，還不改變陷波個數。

圖9 仿真與實測增益圖

天線輻射效率是表征天線是否能穩定工作的重要因素，由于實驗條件限制，本文只對天線的效率進行了仿真。如圖10所示，除陷波頻段外，在工作帶寬3.01～12 GHz中天線的效率達到88%，說明天線的增益穩定。

圖10 天線輻射效率

本文天線與其他文獻天線在頻率范圍、陷波個數及陷波帶寬度方面的對比如表2所示，可見本文設計的陷波天線具有良好的應用前景。

表2 本文天線與文獻中天線的對比

4 結 論

本文設計了一種尺寸為36 mm×32 mm×0.8 mm的五陷波超寬帶天線,將兩個不封閉口字型槽蝕刻秤砣形輻射結構上，接地板挖一對對稱的L形槽，并在饋線旁放置兩個類U形諧振器。實現的5個陷波頻段分別為WiMAX(3.73～3.89 GHz)、C頻段衛星通信系統(4.25～4.9GHz)、無線局域網通信頻段(5.51～5.83 GHz)、INSAT頻段(6.77～7.32 GHz)和ITU 8 GHz頻段(8.13～8.38 GHz)。總體而言，該天線在通帶內實現了五陷波且工作性能良好，適用于五陷波的超寬帶通信系統。