王善進(jìn)，雷瑞庭，劉華珠，陳　瓊，李秀平，楊　杰

（東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東東莞523808）

一款結(jié)構(gòu)簡單的雙陷波超寬帶天線*

王善進(jìn)*，雷瑞庭，劉華珠，陳瓊，李秀平，楊杰

（東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東東莞523808）

利用仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)了一款共面波導(dǎo)饋電的超寬帶（UWB）天線。采用開槽的方法實(shí)現(xiàn)了天線在WLAN（5.15 GHz～5.825 GHz）和ITU衛(wèi)星通信（8.025 GHz～8.4 GHz）頻段的陷波特性。在介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上制作了天線，天線尺寸僅為22 mm×28 mm×0.8 mm，易于與其它電路集成。實(shí)測和仿真結(jié)果吻合較好。

HFSS；共面波導(dǎo)；超寬帶天線；陷波

這些年來，超寬帶無線通信由于其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，引發(fā)了相關(guān)領(lǐng)域的持續(xù)研究熱潮，技術(shù)層面由此不斷取得長足的進(jìn)步。天線作為無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，毫無例外地得到了眾多研究者的關(guān)注，各種結(jié)構(gòu)的超寬帶天線伴隨著國內(nèi)外研究工作的推進(jìn)相繼問世。這些天線大都是平面結(jié)構(gòu)，饋電一般采用微帶或共面波導(dǎo)模式。這類天線尺寸小、剖面低，易于與其它有源電路集成。

我們知道，在超寬帶通信的3.1 GHz～10.6 GHz頻段內(nèi)已經(jīng)存在著Wlan（5.15 GHz～5.825 GHz）以及衛(wèi)星通信（8.025 GHz～8.4 GHz）等其它的無線窄帶信號頻段，超寬帶通信系統(tǒng)與這些窄帶通信系統(tǒng)之間可能發(fā)生的相互串?dāng)_將影響到它們的正常工作。所以，在超寬帶無線通信系統(tǒng)中研究如何濾除這些無線窄帶通信雜波的工作，無疑對這些通信系統(tǒng)之間的頻段合理規(guī)劃及通信性能的提高，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在超寬帶天線的工作頻段內(nèi)嵌入阻帶（陷波）的方法是解決上述窄帶信號干擾的基本思路之一［1-8］。顯然可以在通信系統(tǒng)的天饋端增加相應(yīng)的濾波器，實(shí)現(xiàn)窄帶干擾信號的濾除，但這種方法的代價(jià)是系統(tǒng)體積的增大，甚至整體性能的惡化，同時(shí)陡峭濾波特性濾波器的設(shè)計(jì)也非易事，因此目前較為可行的方法是在天線結(jié)構(gòu)上做工作。包括：（1）加載枝節(jié)該方法通過在天線的輻射單元或者饋線的合適位置加載不同形狀和長度的金屬枝節(jié)，利用該枝節(jié)的電容效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)所需頻段信號的抑制，常見于微帶或共面波導(dǎo)饋電的印刷單極子天線；（2）開槽在天線的輻射單元上開出不同形狀和長度的槽線，通過對槽線的幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)干擾信號的頻段抑制。（3）耦合單元在天線輻射單元或饋線單元附近加載一定形狀和大小的單元，利用天線和加載單元的耦合效應(yīng)，通過優(yōu)化耦合單元的位置和幾何形狀，實(shí)現(xiàn)陷波特性。

在簡單的矩形輻射單元天線結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，本文利用輻射單元和饋線同時(shí)開槽的方法，設(shè)計(jì)了一款共面波導(dǎo)饋電的具有雙重陷波特性的超寬帶天線。天線最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常簡單，易于加工制作。仿真和實(shí)測均表明了該天線的工作頻段覆蓋了 3.1 GHz～10.6 GHz，且可對 Wlan（5.15 GHz～5.825 GHz）以及衛(wèi)星通信（8.025 GHz～8.4 GHz）兩頻段的窄帶信號能進(jìn)行有效的抑制。

1　天線結(jié)構(gòu)

眾所周知，與常規(guī)的微帶傳輸線相比，共面波導(dǎo)更易于與其它無源或有源器件實(shí)現(xiàn)集成，特別是到了微波毫米波頻段，共面波導(dǎo)可避免信號的基片過孔困難。共面波導(dǎo)作為一種性能優(yōu)越、加工方便的微波毫米波平面?zhèn)鬏斁€，在超寬帶天線的設(shè)計(jì)中有著其它傳輸線結(jié)構(gòu)所不可比擬的性能優(yōu)勢。如圖1所示為本文提出的共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線。天線主要由介質(zhì)基板、共面波導(dǎo)饋電線、共面波導(dǎo)接地面、矩形輻射單元和兩條“U”形均勻槽線組成。

圖1　天線結(jié)構(gòu)示意圖

2　天線的設(shè)計(jì)

天線的饋電采用有限地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其特性阻抗計(jì)算公式可參見文獻(xiàn)［9］中的論述，主要利用如下4個(gè)公式：

其中

式中εr、εeff、h、W、W0、S分別為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)、基板的有效介電常數(shù)、基板厚度、基板寬度、共面波導(dǎo)饋線寬度及波導(dǎo)饋線與地的間隙。K（k）、K'（k）為第1類完全橢圓積分函數(shù)及其補(bǔ)函數(shù)，k為函數(shù)的自變量。

圖2　有限地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

參見圖1，在共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線上利用開槽技術(shù)進(jìn)行阻帶嵌入設(shè)計(jì)。天線輻射單元上的“U”形槽用來產(chǎn)生中心頻率為8.2 GHz的阻帶，共面波導(dǎo)饋線上的“U”形槽則可產(chǎn)生中心頻率為5.5 GHz的阻帶。一般地，槽線的長度可初步用式（5）計(jì)算得到

式中，c為光速，fnotch為阻帶頻段中心頻率，εr為基板的有效介電常數(shù)。

確定初步的尺寸后，利用HFSS建模分析。

改變輻射單元上的開槽線長度Lg1，使之由5.2 mm增加到5.4 mm，可以發(fā)現(xiàn)，天線上半部的陷波頻段隨著槽線的長度增加向低頻段發(fā)生了移動，其中心頻率由大約8.4 GHz下移到8.0 GHz附近，參見圖3，這種現(xiàn)象與前述的物理原理是一致的。

圖3　輻射單元上的開槽線長度對陷波頻段的影響

同樣地，如果改變共面波導(dǎo)饋電線上“U”形槽線的長度，可觀察到同樣的現(xiàn)象。但因?yàn)椴▽?dǎo)饋電線相對于天線的輻射貼片來說，面積要狹窄許多，因而該“U”形槽線需要十分細(xì)致的安排，否則會引起天線性能劇烈的變化。圖4為“U”形槽線底部寬度由0.4 mm增加到0.6 mm時(shí)天線回波損耗的變化，可見當(dāng)Sg2為0.6 mm時(shí)，天線通帶的上半部S11已經(jīng)高出-10 dB，性能變差，可見該參數(shù)的影響是非常敏感的。

圖4　共面波導(dǎo)饋電線上槽線對天線性能的影響

作為天線饋電的共面波導(dǎo)是設(shè)計(jì)工作的另一個(gè)重要部分，圖5給出了饋線寬度和饋線與地間距對天線回波損耗的影響。其中圖5（a）曲線說明了隨著饋線寬度的增加，天線的帶寬在縮減，主要體現(xiàn)在高頻段部分，低頻段的影響較弱。圖5（b）表明了饋線與地間距是一個(gè)非常敏感的參數(shù)，它的細(xì)微變化對天線的影響很是明顯，這種影響也主要體現(xiàn)在高頻段。

圖5　共面波導(dǎo)對天線性能的影響

天線的矩形輻射單元與地的間距d和“U”形槽線的寬度Wg1或Wg2，以及槽線在天線或共面波導(dǎo)饋線上的位置等參數(shù)對天線性能的影響也是十分重要的，利用HFSS軟件可以對這些參數(shù)的影響進(jìn)行詳細(xì)的分析。

對天線的相關(guān)參數(shù)優(yōu)化后，得到天線的回波損耗曲線如圖6所示?？梢娞炀€的帶寬為3.1 GHz～15.0 GHz左右，阻帶（陷波）頻段中心頻率分別為5.6 GHz和8.2 GHz，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖7給出了天線在不同頻點(diǎn)的輻射圖（H面）對比，表明天線良好的寬帶全向特性。根據(jù)仿真結(jié)論制作了實(shí)際天線，介質(zhì)基板為FR4板材，介電常數(shù)為4.4，幾何尺寸為22 mm×28×mm×0.8 mm，圖8為實(shí)物天線的照片。圖6中的虛線為該天線回波損耗的實(shí)測曲線，可見實(shí)測天線帶寬變窄，特別是低頻段差異較大，原因可能主要來源于SMA接頭、焊接、天線制作誤差和測試條件等，但兩條曲線的走勢還是吻合良好的。

圖6　優(yōu)化后天線的回波損耗

圖7　天線在不同頻點(diǎn)上輻射方向圖的對比（H面）

圖8　天線實(shí)物照片

3　結(jié)語

設(shè)計(jì)了一款具有雙阻帶（陷波）共面波導(dǎo)饋電的矩形超寬帶天線，天線的工作頻段覆蓋了3.1 GHz～10.6 GHz，陷波頻段中心頻率分別為5.6 GHz和8.2 GHz。該天線具有結(jié)構(gòu)簡單，易于制作的特點(diǎn)。通過對產(chǎn)生陷波的槽線位置、長度及寬度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)對陷波頻段的靈活控制。制作了實(shí)際天線，且進(jìn)行了實(shí)測與仿真的對比分析，結(jié)果表明兩者符合良好。

［1］Kim Y，Kwon D H.CPW-Fed Planar Ultra Wide Antenna Having a Frequency Band Notch Function［J］.Electron Lett，2004，40（7）：403-405.

［2］Chung K，Kim J，Choi J.Wideband Microstrip-Fed Monopole Antenna Having Frequency Band-Notch Function［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2005，15（11）：766-768.

［3］Qu S W，Li J L，Xue Q.A Band-Notched Ultrawideband Printed Monopole Antenna［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2006，5（1）：495-498.

［4］Cho Y，Kim K，Lee Choi D，et al.A miniature UWB Planar Monopole Antenna with 5-GHz Band-Rejection Filter and the Time-Domain Characteristics［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54（5）：1453-1460.

［5］Zhang Y，Hong W，Yu C，et al.Planar Ultrawideband Antennas with Multiple Notched Bands Based on Etched Slots on the Patch and/or Split Ring Resonators on the Feed Line［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56（9）：3063-3068.

［6］Mehdipour A，Mohammadpour-Aghdam K，F(xiàn)araji-Dana R，et al. A Novel Coplanar Waveguide-Fed Slot Antenna for Ultrawideband Applications［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56（12）：3857-3862.

［7］Zhou H J，Sun B H，Liu Q Z，et al.Implementation and Investigation of U-Shaped Aperture UWB Antenna with Dual Band-Notched Characteristics［J］.Electronics Letters，2008，44（24）：1387-1388.

［8］Ryu K S，Kishk A A.UWB Antenna with Single or Dual Band-Notches for Lower WLAN Band and Upper WLAN Band［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（12）：3942-3950.

［9］Chang Kai.Encyclopedia of RF and Microwave Engineering［M］. New York：John Wiley&Sons Inc，2005：821-833.

王善進(jìn)（1966-），男，工學(xué)博士，現(xiàn)為東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院教授。主要從事電子線路的教學(xué)和科研工作。興趣領(lǐng)域?yàn)樯漕l平面無源器件與電路的設(shè)計(jì)，wsj999167@126.com；

雷瑞庭（1980-），男，學(xué)士，現(xiàn)為東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師。主要從事電子線路和嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究工作。

A Ultra-Wideband Antenna with Simple Structure and Two Notched Bands*

WANG Shanjin*，LEI Ruiting，LIU Huazhu，CHEN Qiong，LI Xiuping，YANG Jie
（School of Electronic Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan Guangdong 523808，China）

A coplanar waveguide-fed ultra-wideband antenna is presented.The antenna is simulated using HFSS. Two notched bands of the antenna in WLAN（5.15 GHz～5.825 GHz）and satellite communication of ITU（8.025 GHz～8.4 GHz）are achieved by etching U-shaped slotlines on the radiator patch and the fed microstrip conductors line.The antenna is implemented on one substrate with relative permittivity 4.4，the whole size of the antenna is only 22 mm×28 mm×0.8 mm and easy to be integrated with other circuits.There are basic agreements between the simulated and measured results.

HFSS；coplanar waveguide（CPW）；ultra-wideband（UWB）antenna；notch band

TN822.8

A

1005-9490（2016）05-1048-04

項(xiàng)目來源：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B010401040）

2015-11-07修改日期：2015-12-04

EEACC:527010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.006