小型化双陷波超宽带天线设计

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随着室内高速无线数据接入技术的发展，要求无线通信系统具有更大的数据吞吐量。特别是IEEE802.15.3a标准提出分配3.1～10.6 GHz频段给超宽带使用后，超宽带通信系统越来越受到重视。考虑到与以往天线的设计要求，UWB天线不仅要求天线具有体积小、良好的辐射效率、全向覆盖特性，同时应避免和其他通信系统相互干扰，主要重叠的通讯频段有WLAN(5.2～5.8 GHz)，WIMAX(3.3～3.6 GHz)和c波段(3.7～4.2 GHz)雷达通信系统，因此能否实现小型化UWB天线及双阻带性能已成为当今研究的重点。
微带天线以其剖面薄、体积小、重量轻、可与载体表面相共形、易集成、成本低、易制作等优点备受关注，常见的小型UWB天线主要包括印刷型单极子和宽缝隙天线。从上述背景出发，本文设计了一种双U缝隙的UWB天线，带宽2.97～12.75 GHz(VSWR<2)，在满足天线性能的基础上实现了双阻带功能565 MHz(3.35～4.00 GHz)和590 GHz(5.23～5.82 GHz)。在天线设计中，地板采用了CPW馈电结构，通过调节馈线宽度W3可以达到高频匹配，实现设计天线的小型化;辐射板采用了圆形辐射板CDM，通过调节它的半径可以实现低频段的阻抗匹配;辐射板上双U缝隙的作用是产生双阻带，避免与其他通讯系统产生相互干扰。
在经验的基础上进行了大量的仿真实验，获得天线的具体结果参数。通过实物测量，显示天线性能基本得到满足，是一种具有实用意义的UWB天线。
1 天线结构设计
天线的具体尺寸结构示意图如图1所示。圆形辐射板、微带馈线和地板印制在FR4介质板的同一面，FR4介质板厚度h=1.0 mm，相对介电常数&epsilon;r=4.4，尺寸为20.0 mm×27.0 mm×1.0 mm。馈线宽度设计为W3=5 mm与50 &Omega;端口进行匹配。其中，天线尺寸为：W=20 mm，L=27 mm，R=10 mm，W1=8 mm，W2=3.5 mm，W3=5.0 mm，L1=10mm，L1=10.2 mm，L2=7.8 mm，s1=0.8 mm，s2=1 mm，s3=0.6 mm。
　
图1 天线的具体尺寸结构示意图

(1)地板对天线驻波的影响。
基于圆形辐射板超宽带天线理论已被广泛引用。文中超宽带天线的辐射板采用圆形辐射板，在天线设计中采用了新型复合地板，它由两个半椭圆组成通，通过调节椭圆主半径和长短轴比，可以实现高频段的阻抗匹配(VSWR<2)。
在天线设计中为了实现天线的小型化，可以通过调节地板的参数使得天线的驻波比特性达到设计要求。设计天线的宽度W=20 mm情况下，仿真结果中椭圆的主半径为4.9mm，如图2所示，实现了小型化天线的设计。
　
图2 驻波比随W1变化的特性

(2)U型缝隙对天线驻波的影响。
通过在馈线和辐射板上设计双U型缝隙实现了双陷波特性。图3所示给出了设计天线开凿对驻波比的影响。从图中可以看出，该天线的带宽为2.97～12.75 GHz，已经超过了超宽带所给定的带宽3.0～10.6 GHz。腐蚀在馈线和辐射板上的U型缝隙宽度分别设为S1，S2和S3，大小直接影响阻带带宽。与文献的设计比较，它们的缝隙都是开在辐射板上，这种设计可以在辐射板上激励新的电流起到谐振作用。本文开了两个U型缝隙，可以产生双谐振作用。
　　
图3 开凿前后天线的驻波比特性
　　缝隙2开在辐射板和馈线的连接部分，它的设计特点在于不仅可以产生谐振，而且对馈线电流到辐射板电流起到匹配作用。当改变缝隙2的位置时，可以减小馈线和辐射板之间的反射，调节驻波比的大小。
仿真过程中发现中心谐振频率被缝隙的长度L1，L2直接影响，长度变短时，中心频率变大，否则相反。通过分析知道，缝隙的本质作用相当于1/2波长谐振器。在这个基础上，通过仿真优化实现了所需阻抗特性如图4所示。加工时，宽度<0.1 mm的缝隙不易加工，所以仿真优化中，S1，S2和S3最终取值分别是0.8 mm，1 mm和0.6 mm以达到整体优化的折衷。

图4 驻波比随L1、L2变化的特性

2 结果分析
天线实物如图1所示。天线的仿真使用了Ansoft公司的高频仿真软件HFSS11，天线的驻波比测量使用的是安捷伦E8363B网络分析仪。驻波比的仿真结果与测量结果的比较如图5所示。测量结果表明整个天线的带宽为2.97～12.75 GHz(VSWR<2)，满足UWB的工作带宽要求。并且实现了双阻带特性，两个阻带带宽分别为3.35～4.00 GHz和5.23～5.82 GHz。仿真和测量结果在低频较吻合，但高频段测量时的驻波比结果稍微大于仿真结果，两个阻带同时有轻微右移，这是因加工精度和介质材料的介质常数不均匀所引起的，这种误差在应用中是允许的。
　
图5 驻波比的仿真结果与测量结果的比较

为考察天线在整个工作频段内的辐射特性，测量的工作频率为3 GHz、6 GHz和9 GHz时的天线E面和H面的辐射方向图，具体如图6所示。天线的H面辐射方向图具有良好全向特性，不圆度<8 dB。整个频段内其辐射方向图的形状能保持稳定而且具有较好的不圆度，满足超宽带通信系统对天线辐射特性的要求。

图6 天线在3 GHz、6 GHz和9 GHz时的方向图

3 结束语
本文提出了一种新型小型化UWB微带缝隙天线。陷波特性是通过在馈线和辐射板上开两个U型缝隙，引入半波长谐振结构而获得的。通过电磁仿真软件HFSS11仿真计算，确定了天线的几何尺寸。在微波暗室中对天线实物样品的输入端反射特性、辐射方向图等进行测量。研究结果显示，天线的仿真数据和实测数据有较好的一致性，该天线在2.97～12.75 GHz的频段范围内具有良好的阻抗特性、辐射方向特性，在3.35～4.00 GHz和5.23～5.82 GHz范围内具有陷波特性，降低了UWB天线和其他通信系统之间干扰的可能，因此是一种性能较好、具有使用价值的小型化超宽带天线。