一款超寬帶陷波天線設計

孫孝波，王志剛，張永欣，李 靜，馬 勝，王 聰，王佩光

(1.國網信息通信產業集團有限公司，100052，北京；2.國網思極神往位置服務(北京)有限公司，102200，北京)

0 引言

美國聯邦委員會(FCC)于2002年將超寬帶一部分頻段劃歸為民用頻段，UWB在各行業的應用立馬引起了科研人員的重視。UWB無線信號在通信技術方面具有較低的使用功耗、抗外界因素干擾能力強、信號的傳輸效率高，尤其在精確人員、物資定位系統及短距離通信方面廣泛使用[1-6]。基于UWB信號自身的特點，使超寬帶通訊技術在室內定位領域取得了比較理想的定位結果。

微帶天線包含一種類型“印刷單極子天線”，自設計到應用，印刷單極子天線以信號全向特性好、自身質量輕、原材料成本低廉的優點受到大范圍應用。天線本身除具有微帶天線的特點外，印刷單極子天線還具有增益高和阻抗容易匹配等優點。超寬帶定位系統的硬件組成中最重要的一塊是UWB定位天線，傳輸效率、抗干擾性能的優劣會直接影響到整個定位系統的定位效果。目前，超寬帶天線的設計在為適應無線終端小體積和低剖面的方面仍然面臨許多挑戰。不容忽視的是天線尺寸的縮減一定會犧牲天線自身的性能[7-12]。

5G通信系統的低頻段3.4～3.6 GHz(中國電信：3.4～3.5 GHz；中國聯通：3.5～3.6 GHz)在UWB頻段(3.1～10.6 GHz)內。UWB常用于室內定位產品，而5G通信作為人們日常使用的移動通信，兩者頻段存在重合使用場景也趨于相同時，很容易產生干擾[13-17]。為了保證UWB天線的性能，避免外界其他因素(尤其是在5G覆蓋范圍內受5G信號的影響)對UWB天線的干擾，將天線設計為具備陷波特性的天線。將陷波結構引入到UWB天線，并結合UWB天線自身的特點轉化為新的天線類型。UWB天線可以通過許多不同的結構來獲得陷波特性，開槽的方式結構簡單，通常將槽口部位設計成U型、直線型或V型來控制天線表面的電流形成陷波特性，讓槽口處寬度很小是開槽最常見的一種手段，天線的特性可通過更改槽口的長度來調整，對整個頻段內阻抗匹配影響可以忽略不計；除此之外還可以通過融合寄生單元、采用分形或調諧枝節的方式，但其結構復雜，對某些頻段內阻抗匹配產生一些影響。

結合以往陷波天線的設計思路，本文對超寬帶天線進行了帶陷特性設計，設計思路是輻射片采取“U”型設計，可調整輻射片間隙的間距，使其具備陷波特性良好的抗干擾性，同時最大程度地保證天線自身的全向性和平坦的增益特性。本論文設計的超寬帶陷波天線，天線S11-10dB的阻抗帶寬為2.7～7.3 GHz，在3.4～3.6GHz頻段內產生阻帶。

1 發展現狀分析

1.1 超寬帶天線發展現狀

美國聯邦委員會(FCC)于2002年將超寬帶一部分頻段劃歸為民用頻段，UWB在各行業的應用立馬引起了科研人員的重視，在超寬帶定位系統中天線是硬件重要組成部分之一，優異的天線性能是各行各業研究的重點。(3.1～10.6 GHz)頻帶內的阻抗適配、全向輻射方向、良好的天線增益，同時具備微型及低成本的特性是UWB天線設計的主要內容。目前在用的UWB天線尺寸偏大，在與小型超寬帶系統的集成上天線尺寸問題尤為突出，因此，近些年來UWB天線成為實驗研究的主要方向[18-22]。

1.2 陷波天線的特點及現狀

不同的通訊系統因各自工作頻段多互相之間可能會產生一定的干擾，陷波特性與寬頻帶的結合能有效地避免不同通信系統信號的干擾。在天線端串聯濾波器是簡單的引入陷波特性的方法，但在實際應用中，新增的濾波器增加了損耗，增加了天線的體積，同時給阻抗匹配增加了難度。以不影響天線指標為前提，在不增加天線自身體積的情況下將陷波結構與天線融合。該方式不僅能夠為寬頻小型化設備的應用提供新的解決思路，還能夠改善天線工作頻段內的性能同時抑制不同的通訊系統干擾。

目前有3種技術可以實現陷波功能，在應用上有所差異取決于各自的應用需求。通過設計諧振結構引入陷波特性的方式有2種，分別是在輻射單元上進行諧振設計和輻射口處引入帶阻諧振結構[20]，前者用于剖面較低或缺乏合適饋線的天線；另外一種是在天線的內部設計濾波電路[19]。具備微型且性能優異的帶阻濾波器是帶阻諧振結構的難題，而濾波電路的方式需要分析濾波電路對天線其他性能的影響。性能良好的陷波天線在不影響天線輻射性能的同時還可以提升天線自身的性能。

2 天線設計

2.1 超寬帶天線

UWB天線對阻抗諧振器和諧振環設計引入陷波特性。電耦合和磁耦合是開口諧振環的2種耦合方式，分別在中間插入電壁時諧振頻率[18]用式(1)、式(2)表示：

(1)

(2)

包含有電耦合和磁耦合稱為混合耦合，在兩者間插入電壁時諧振頻率可用式(3)來表示：

(3)

式中：C為諧振單元的自電容，L為自電感；Lm為互感電感，Cm為互感電容。

本文根據以上分析設計了具有陷波功能的杯形開槽天線，具體介紹如下。

本文設計的超寬帶天線如圖1所示，包含輻射片、金屬地板、介質板、SMA接頭，且輻射片位于介質板頂層，金屬地板位于介質板底層，該超寬帶天線屬于印刷單極子天線，在常規的單極子天線基礎上將輻射片優化成“梨”結構，以展寬天線帶寬，優化天線方向圖。輻射片與50 Ω特性阻抗線相連；為了利于測試，微帶線輸入連接SMA接頭，SMA接頭特性阻抗與微帶線相同。通過調整輻射片長和寬，可以改變天線頻率；調輻射片與金屬底板的間隔gap參數可以得到更寬的阻抗帶寬。天線介質板采用FR4板材，厚度0.8 mm。天線使用HFSS13.0軟件建模，仿真并優化天線具體尺寸表1所示。

圖1 超寬帶天線

表1 超寬帶天線尺寸參數

2.2 超寬帶陷波天線

本文設計的超寬帶陷波天線如圖2所示，包含“U”形縫隙輻射片、金屬地板、介質板、SMA接頭。該超寬帶陷波天線是在圖1超寬帶天線的基礎上做了改進，在超寬帶天線的輻射片上開出“U”縫隙，實現5G通信(3.4～3.6)GHz頻段的陷波。“U”縫隙的長度約3.5 GHz的1/4波長，天線使用HFSS13.0軟件建模，仿真并優化，具體參數尺寸如表2所示。

圖2 超寬帶陷波天線

表2 超寬帶陷波天線尺寸參數

3 天線結果分析

3.1 超寬帶天線性能測試結果分析

超寬帶天線測試結果如圖3、圖4所示。由圖3看出超寬帶天線駐波小于2時帶寬為2.9～7.5 GHz。圖4為超寬帶天線在5.5 GHz時交叉極化和主極化天線方向圖。在5.5 GHz時主極化最大增益為3.69 dB，主極化在phi=0°和phi=90°時不圓度為3 dB。

圖3 超寬帶天線駐波

圖4 5.5 GHz時超寬帶天線方向圖

結合5.5 GHz時超寬帶天線方向圖，天線輻射方向為一個較寬的“8”字，這個結果說明該陷波天線具備全向的輻射特性能夠滿足超寬帶通訊系統的工作要求。

3.2 超寬帶陷波天線結果分析

超寬帶陷波天線結果如圖5、圖6所示。由圖5看出超寬帶陷波天線駐波小于2時帶寬為2.9～7.5 GHz，陷波帶寬為3.4～3.6 GHz。結合圖6超寬帶天線在5.5 GHz時交叉極化和主極化方向圖，在5.5 GHz時主極化最大增益為3.65 dB，主極化在phi=0°和phi=90°時不圓度為2.85 dB。由圖4和圖6可以看出在5.5 GHz時超寬帶天線方向圖與超寬帶陷波天線方向圖基本沒有變化，主極化最大增益和不圓度基本相同。

圖5 超寬帶陷波天線駐波

圖6 5.5 GHz時超寬帶陷波天線方向圖

超寬帶陷波天線各頻點最大增益如表3所示。在6.5 GHz時最大增益為3.96 dB，為最大，這是因為在6.5 GHz時天線尺寸相對應6.5 GHz波長較長。在3.5 GHz時天線最大增益為-3.5 dB，這是因為天線在3.4～3.6 GHz產生陷波引起的。

表3 天線頻點最大增益

4 結論

本文設計的超寬帶陷波天線可以使用在UWB通信產品上，因其微型化、低剖面、可內置、方便集成等優點，可廣泛用于UWB定位標簽、基站等產品上。在超寬帶天線的輻射片上開出“U”縫隙，能夠在UWB頻段內穩定工作，并屏蔽來自5G通信信號的干擾，同時可通過改變天線輻射片上縫隙長度來改變陷波頻段滿足不同頻段陷波要求，提高該天線在不同場景下的適應性。