具有五陷波的超寬帶天線設計

摘 要：設計了一款具有五陷波特性的小型化超寬帶天線，通過改變陷波結構參數和分析天線表面的電流分布，研究了陷波結構對超寬帶及陷波特性的影響。天線尺寸僅為２５ ｍｍ×２０ ｍｍ×１ ｍｍ。輻射貼片由矩形和圓形貼片組成，背板通過切角挖槽實現了超寬帶特性；添加對稱鉤型枝節，蝕刻Ｕ 型槽及３ 類Ｕ 型槽產生５ 個陷波。天線的工作帶寬在３． ８ ～ １６ ＧＨｚ。有效抑制了國際衛星波段（４． ５ ～ ４． ８ ＧＨｚ）、ＷＬＡＮ 下行波段（５． １５ ～ ５． ３５ ＧＨｚ）、ＵＮＩＩ-２ｃ （５． ４７ ～ ５． ７２５ ＧＨｚ）、ＷＬＡＮ 上行波段（５． ７２５ ～ ５． ８２５ ＧＨｚ）、下行衛星系統頻段（７． ２５ ～ ７． ７５ ＧＨｚ）、上行衛星系統頻段（７． ９ ～ ８． ４ ＧＨｚ）、國際電信聯盟頻段（８． ０１ ～ ８． ５０ ＧＨｚ） 的干擾。天線在工作頻帶內具有全向性，增益平均在４ ｄＢｉ 以上。仿真和實測結果基本吻合，表明該天線可用于超寬帶通信系統。

關鍵詞：超寬帶天線；五陷波；Ｕ 型槽；鉤形枝節；全向性

中圖分類號：ＴＮ８２３＋． ２４ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）０５－１２７０－０７

０ 引言

２００２ 年美國聯邦通信委員會（Ｆｅｄｅｒａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉ-ｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，ＦＣＣ）通過了允許將超寬帶技術劃分３． １ ～ １０． ６ ＧＨｚ 的工作頻帶用于民用通信規范［１］。近年來，隨著移動通信、雷達和天線陣列等領域的快速發展，超寬帶通信系統已成為迫切需求的通信技術之一。超寬帶通信系統要求天線具有超寬的工作頻帶和全向輻射的特性，以滿足高速數據傳輸和高精度測量等應用需求。然而，在實際應用中，通信頻段經常會受到干擾信號的影響，因此天線的陷波能力也成為設計超寬帶天線的必要功能之一。

為了克服這一問題，２００３ 年，美國的Ｓｃｈａｎｔｚ等［２］提出了一種方法，通過在超寬帶天線的結構上引入陷波結構最終得到了超寬帶陷波天線。通過在天線的正面刻蝕槽路或者添加枝節等方法使得天線產生了陷波。例如吳愛婷等［３］在天線正面刻蝕Ｕ 型槽和引入Ｌ 型枝節來實現三陷波特性。李睿等［４］在天線微帶線引入Ｕ 形枝節來實現三陷波。大多數文獻的天線尺寸較大，多數為二陷波或者單陷波。針對當前超寬帶天線設計中存在的部分問題，本文提出了一款小型化五陷波超寬帶天線，天線的大小僅為２５ ｍｍ×２０ ｍｍ×１ ｍｍ。通過在天線表面添加了對稱的鉤型枝節、４ 個改造的Ｕ 型槽、，最終實現４． ５ ～４． ８ ＧＨｚ、５． ０ ～５． ４ ＧＨｚ、５． ５ ～６． ３ ＧＨｚ、７． ２ ～ ７． ７ ＧＨｚ、７． ９ ～ ８． ６ ＧＨｚ 的天線陷波特性，免除了７ 個頻段的干擾，對設計的天線進行實物制作，并通過矢量分析儀對天線的相關參數進行了測量。將所測得數據與實物進行比較，發現二者數據基本吻合，呈現良好的全向性和輻射特性。

１ 天線設計

１． １ 超寬帶天線結構設計

本文提出的一種小型化超寬帶陷波天線采用Ｒｏｇｅｒｓ ＲＴ ／ ｄｕｒｏｉｄ ５８８０ 材料為介質基板，其介電常數εｒ ＝ ２． ２、厚度為１ ｍｍ。本文中天線使用長度為Ｌｆ、寬度為Ｗｆ 的５０ Ω 的微帶線進行饋電。在正面貼片添加多個矩形槽，進一步提高了天線的帶寬和匹配特性。天線正面的改進過程如圖１ 所示。圖１（ａ）為天線基礎形，在此基礎上添加多個矩形得到圖１ （ｂ），在其基礎上添加半圓形得到最終天線正面輻射貼片形狀圖１（ｃ）。

不同天線正面結構對應的Ｓ１１ 如圖２ 所示。可以看出，隨著天線正面輻射貼片形狀的改變，在保證匹配性能良好的同時有效拓展了天線帶寬［５］。

在背面輻射貼片中部截取一個長矩形，在其兩側截取一個對稱的矩形和三角形，底板中部矩形兩邊再刻蝕一個矩形槽后，添加了２ 個對稱的矩形貼片。通過對底板的修改，進一步擴大了天線的工作帶寬，最終實現了３． ８ ～ １６ ＧＨｚ 的超寬帶特性。

超寬帶天線的結構如圖３ 所示，介質板的長、寬分別為Ｌ、Ｗ。在長Ｌ５ 、寬Ｗ５ 的矩形貼片上添加了長分別為Ｌ４ 、Ｌ３ 、Ｌ２ 、Ｌ１ ， 對應寬分別為Ｗ４ 、Ｗ３ 、Ｗ２ 、Ｗ１ 的４ 個矩形貼片；又添加了一個半徑為Ｒ 的金屬貼片，完成了天線正面結構的設計。天線背板原型長為Ｌｇ、寬為Ｗｇ 的矩形貼片，在原型的基礎上，從矩形貼片中心截取了一個矩形，又添加了２ 個對稱的小矩形貼片，在底板兩邊截取２ 個對稱的矩形和三角形。天線的帶寬得到了進一步提高。最終完成了天線背面的設計。天線的正反面結構如圖３ 所示。

１． ２ 陷波結構設計

在實際應用中，通信頻段經常會受到干擾信號的影響，因此天線的陷波能力也成為設計超寬帶天線的必要功能之一。超寬帶天線陷波功能的實現手段大概有２ 種：槽線法和添加枝節法。本文采用了槽線法和添加枝節法來使得超寬帶具備陷波特性。槽線法長度估算如下：

式中：ｆ 為陷波中心頻率，ｃ 為光速。Ｕ 型槽、類Ｕ 型槽總長度Ｌａ、Ｌｂ 分別為：

Ｌａ ＝ Ｗ６ ＋ Ｗ７ × ２ ＋ Ｌ６ × ２， （２）

Ｌｃ ＝ Ｗ６ ＋ Ｗ８ ＋ （Ｌ７ ＋ Ｗ９ ＋ Ｌ８ ）× ２。（３）

天線陷波結構如圖４ 所示。

本文利用槽線法，在天線正面添加了一個Ｕ 型槽，３ 個經過改造的Ｕ 型槽。天線頂端的Ｕ 型槽，產生了一個可以抑制國際衛星波段（４． ５０ ～ ４． ８０ ＧＨｚ）［６］的陷波。頂部Ｕ 型槽下面的第一個槽路使天線產生了ＷＬＡＮ 下行波段（５． １５ ～ ５． ３５ ＧＨｚ）［７］的陷波。微帶線的上部的槽路使得天線產生了Ｘ 波段下行通信信號（７． ２５ ～ ７． ７５ ＧＨｚ）［８］的陷波，微帶線中部的槽路解決了ＵＮＩＩ-２ｃ （５． ４７０ ～ ５． ７２５ ＧＨｚ）［９］、ＷＬＡＮ 上行波段（５． ７２５ ～ ５． ８２５ ＧＨｚ）２ 個窄波頻段的干擾。在天線正面刻蝕了４ 個槽路，使得該天線可以避免５ 個頻段對其干擾。隨后利用添加枝節法，在微帶線兩邊添加對稱的鉤型枝節以使得天線在上行衛星系統頻段（７． ９ ～ ８． ４ ＧＨｚ）［１０］、國際電信聯盟（８． ０１ ～ ８． ５０ ＧＨｚ）［１１］產生陷波，能夠避免這２ 個波段對天線帶來的干擾。通過槽線法和添加枝節法完成了陷波天線［１２］，使得天線在５ 個頻段內具有陷波，避免了７ 個波段對天線帶來的干擾。

２ 仿真分析

２． １ 背板結構對天線性能的影響

超寬帶天線參數如表１ 所示。

未加入陷波結構前，底板結構的改變極大程度上影響著天線的諧振特性和阻抗匹配特性［１３］。超寬帶天線底板結構演變如圖５ 所示。不同結構接地板天線的Ｓ１１ 如圖６ 所示。

步驟１ 中底板為一個矩形貼片，其在４． ０ ～４． ８ ＧＨｚ 和１２ ～ １５ ＧＨｚ 的頻段Ｓ１１ 高于－１０ ｄＢ；步驟２ 在矩形中部開一個矩形槽，然后又在開槽后的矩形上添加２ 個對稱的矩形貼片，使得天線Ｓ１１ 在４． ０ ～ ４． ８ ＧＨｚ 和１２ ～ １５ ＧＨｚ 的頻段低于－１０ ｄＢ；在步驟３ 中，通過在兩側開矩形槽，進一步提高了天線總體的Ｓ１１；步驟４ 在３． ８ ～ １５ ＧＨｚ 整個頻段內的Ｓ１１ 明顯小于－１０ ｄＢ。該底板結構能夠有效改善天線特性。

２． ２ 天線陷波結構參數分析

在天線頂端嵌入一個Ｕ 型槽。圖７ 為不同Ｕ型槽橫向長度Ｗ７ 對應得回波損耗。可以看出，當Ｗ７ 從６． １ ｍｍ 增加到６． ３ ｍｍ ，陷波中心略向低頻移動。Ｗ７ 為６． ２ ｍｍ 時，天線Ｓ１１ 在４． ４５ ～ ４． ８６ ＧＨｚ高于－１０ ｄＢ，在陷波中心頻率達到－ １． ４ ｄＢ。

在頂端的Ｕ 型槽下嵌入了一個類Ｕ 型槽，圖８為不同類Ｕ 型槽縱向長度Ｌ８ 對應的回波損耗。可以看出，陷波中心頻率隨著長度的增加而向低頻移動，而對前一個４． ５ ～ ４． ８ ＧＨｚ 的陷波沒有很大變化，當Ｌ８ 為２． ４ ｍｍ 時陷波頻段覆蓋ＷＬＡＮ 下行波段且Ｓ１１ 高于－１０ ｄＢ，效果最佳。

在類型槽下面嵌入一個凸型類Ｕ 型槽，圖９ 為部同凸型類Ｕ 型槽橫向長度Ｗ１０ 對應的回波損耗。可以看出，隨著Ｗ１０ 的增加，陷波中心頻率點發生左移，而前２ 個陷波幾乎沒變化。當Ｗ１０ 為１． ８ ｍｍ時，Ｓ１１ 在７． ２２ ～ ７． ９９ ＧＨｚ 高于－１０ ｄＢ 且覆蓋了下行衛星系統頻段，效果良好。

在微帶線上嵌入一個凹型類Ｕ 型槽后，圖１０為不同凹型類Ｕ 型槽縱向長度Ｌ１０ 對應的Ｓ１１ 。陷波中心頻率隨著長度的增加而向低頻移動，當Ｌ１０為５ ｍｍ 時陷波頻段覆蓋ＵＮＩＩ２ｃ、ＷＬＡＮ 上行波段頻段且在５． ３ ～ ６． ０１ ＧＨｚ 的Ｓ１１ 高于－１０ ｄＢ，效果最佳。

在正面貼片刻蝕了４ 個槽路后，為了進一步研究天線陷波結構的改變對天線性能的影響。選擇在天線微帶線兩邊添加對稱的鉤型枝節來實現天線的五陷結構。不同Ｌ１２ 對應的Ｓ１１ 曲線如圖１１ 所示。

由圖１１ 可以看出，隨著枝節的長度Ｌ１２ 從５． ９ ｍｍ增加到６． １ ｍｍ，陷波中心頻率隨著長度的增加而向低頻移動，當Ｌ１２ 為６ ｍｍ 時，陷波在７． ９ ～ ８． ８ ＧＨｚＳ１１ 高于－１０ ｄＢ 且覆蓋上行衛星系統頻段、國際電信聯盟頻段的干擾，此時效果最佳。

為了驗證各個陷波結構之間的相互獨立性，圖１２ 給出了該天線在未引入陷波結構和分別引入不同陷波結構后對應的Ｓ１１ 曲線，可以看出，５ 個陷波結構之間的干擾是由于互耦作用產生的，實際上相互獨立。

輸入阻抗是與饋線相連的天線輸入端口的阻抗，圖１３ 為天線阻抗的仿真結果。可以看出，在４． ６５、５． ２５、５． ９、７． ４５ ＧＨｚ 左右輸入阻抗實部大于５０ Ω，阻抗虛部也大于０ Ω，天線在該波段發生并聯諧振，呈現開路狀態。

２． ３ 天線輻射特性原理和輻射特性分析

為了更好地了解天線的陷波原理，確定各槽路與對應陷波頻率的關系，對天線的表面電流進行仿真［１４］，圖１４ 為５ 個陷波中心頻率所對應的天線表面電流分布情況。

第一個Ｕ 型槽主要聚集了４． ６５ ＧＨｚ 的電流，而第二個改變的Ｕ 型槽主要聚集了５． ２５ ＧＨｚ 處的電流；在５． ９ ＧＨｚ 的電流主要集中在微帶線中間的槽路；在其上方主要聚集了７． ４５ ＧＨｚ 處的電流；添加的Ｌ 型枝節聚集了８． ３５ ＧＨｚ 的電流，不同頻的電流在上面５ 處位置匯聚，因此產生了陷波。

３ 天線實測結果與性能分析

為了驗證本文設計天線的性能指標，對天線進行了實物制作，天線實物如圖１５ 所示。仿真與實物制作存在一定的誤差。仿真和實測的Ｓ１１ 如圖１６所示。天線方向圖的仿真和實測如圖１７ 所示。

由圖１６ 和圖１７ 可以看出，天線實物與仿真結果較為吻合。圖１６ 顯示在４． ５ ～４． ８ ＧＨｚ、５． ０ ～５． ４ ＧＨｚ、５． ５ ～ ６． ３ ＧＨｚ、７． ２ ～ ７． ７ ＧＨｚ、７． ９ ～ ８． ６ ＧＨｚ 五處具有良好的陷波特性。圖１７ 顯示天線在低頻與中頻具有良好的方向性，高頻發生形變。方向性較為良好。天線增益如圖１８ 所示。

由圖１８ 可以看出，天線實測與仿真曲線相似，增益較為平緩，有５ 個明顯陷波，具有良好的輻射特性和陷波特性。

本文天線與文獻中天線對比如表２ 所示。可以看出，本文天線相對于其他天線，具有尺寸小、工作帶寬大的特點。

４ 結束語

通過分析和研究，設計了一種小型化五陷波超寬帶天線，在天線的正面輻射貼片引入經過槽路和在微帶線兩邊添加對稱的鉤形枝節來使得天線具有五陷波特性。由仿真結果可知，該天線在國際衛星波段、ＷＬＡＮ 下行波段、ＵＮＩＩ-２ｃ、ＷＬＡＮ 上行波段、下行衛星系統頻段、上行衛星系統頻段和國際電信聯盟７ 個頻段內具有良好陷波，且方向性良好，工作帶寬滿足超寬帶天線的設計需求，能用于實際生活。在未來發展中，可以通過對本文提出的超寬帶天線設計方案進行不斷創新和完善，進一步提高天線的陷波性能和通信性能，以更好地滿足通信系統的需求。

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作者簡介

彭 力 男，（２００１—）。主要研究方向：通信系統與仿真。

（*通信作者）南敬昌 男，（１９７１—），博士，教授，博士生導師。主要研究方向：智能射頻電路與器件、多媒體信息編碼和通信系統仿真等。

楊清淞 男，（２００２—）。主要研究方向：通信系統與仿真。

王藝扉 男，（１９９６—），碩士，講師。主要研究方向：可重構天線級超寬帶測距。

基金項目：國家基金項目（６１９７１２１）