本文所設(shè)計(jì)的天線采用Rogers RT/duroid 5880為基板，整體尺寸僅為23 mm×13 mm×0.508 mm,具有易加工、便于集成的特點(diǎn)。仿真和測(cè)試結(jié)果表明該天線在3.25~3.6 GHz,5.1~5.9 GHz和9.5~9.9 GHz處形成3個(gè)陷波頻段，適合于超寬帶系統(tǒng)的使用。

引言

隨著2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）通過(guò)決議批準(zhǔn)將3.1~10.6 GHz的頻率資源用于商業(yè)領(lǐng)域，具有高傳輸速率、低功耗、低成本、抗干擾能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)、低截獲概率等眾多優(yōu)勢(shì)的超寬帶（Ultra-Wideband,UWB）無(wú)線通信技術(shù)在科研和無(wú)線工業(yè)領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多不同類型的天線被設(shè)計(jì)出來(lái)，并覆蓋了整個(gè)的UWB頻段，但與此同時(shí)，這一頻段與全球微波互聯(lián)接入（WiMax,3.25~3.6 GHz）、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN,5.15~5.825 GHz）和X 頻段（9.5~9.9 GHz）等無(wú)線通信的工作頻段存在重合。出于防止相互干擾的目的，對(duì)超寬帶天線的設(shè)計(jì)提出了在目標(biāo)頻段實(shí)現(xiàn)陷波功能的要求。很多文獻(xiàn)都描述了許多方法，用于實(shí)現(xiàn)天線的陷波特性，例如，通過(guò)在天線上開(kāi)不同形狀的縫隙結(jié)構(gòu)的方法，使用調(diào)諧支線的方法，加載寄生單元[10]的方法等等。

本文設(shè)計(jì)了一款微帶饋電的平面超寬帶天線，為了在目標(biāo)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)陷波特性，通過(guò)在微帶饋線旁增加U型寄生單元結(jié)構(gòu)，在原3.1~10.6 GHz的通帶上，有效地實(shí)現(xiàn)了3.25~3.6 GHz、5.1~5.9 GHz和9.5~9.9 GHz的陷波，且總體輻射特性良好。同時(shí)研究了寄生單元參數(shù)變化對(duì)阻帶特性造成的影響，通過(guò)分析對(duì)比得出了最佳的參數(shù)選擇，天線總尺寸為23 mm×13 mm×0.508 mm.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工。

1 天線結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的工作于3.1~10.6 GHz頻段的UWB天線幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線采用Rogers RT/duroid5880作為介質(zhì)基板材料，其相對(duì)介電常數(shù)為2.2,厚度為0.508 mm.介質(zhì)板的長(zhǎng)寬分別為Wsub ,Lsub.輻射貼片由一個(gè)采用微帶饋電的矩形金屬片演變而來(lái)，通過(guò)調(diào)整其微帶饋線位置，形成偏饋結(jié)構(gòu)，以及對(duì)該矩形貼片表面電流分布較弱區(qū)域進(jìn)行裁剪，使得天線表面電流路徑得到增大，從而達(dá)到了減小天線面積的作用。接地板結(jié)構(gòu)如圖1所示，較普通接地板，左右各添加了非對(duì)稱支臂，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以有效的展寬天線的帶寬。饋線的寬度為wg,阻抗為50 Ω，輻射單元與接地板三面之間的間隔都是1 mm.

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定該UWB 結(jié)構(gòu)天線的各個(gè)幾何參數(shù)具體數(shù)值如表1所示。

在此UWB 天線基礎(chǔ)上，采用U 型寄生單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行天線的陷波設(shè)計(jì)。該寄生單元各幾何參數(shù)如圖2所示，分別為lp1,lp2 和wp.寄生單元與微帶饋線之間的間距為0.1 mm.采用基于時(shí)域有限積分（FITD）法的電磁仿真軟件進(jìn)行仿真。

2 天線設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該陷波結(jié)構(gòu)天線中寄生單元的最優(yōu)尺寸如表2所示。

圖3~圖5 分別顯示了lp1,lp2 和wp 變化時(shí)，對(duì)天線阻帶性能的影響。

對(duì)圖3~圖5進(jìn)行分析對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于天線帶陷頻段的改變，lp1 和lp2 的影響很大，而wp 的改變幾乎對(duì)天線的陷波頻段沒(méi)有影響。當(dāng)lp1 變化時(shí)，對(duì)WiMax 和WLAN 陷波頻段的影響較大，而X 頻段的阻帶變化較?。划?dāng)lp2變化時(shí)，可以改變3個(gè)陷波頻段的范圍，同時(shí)對(duì)X頻段的阻帶影響最大。采用如表2所示的寄生單元最優(yōu)參數(shù)時(shí)，所設(shè)計(jì)的天線在3個(gè)頻段內(nèi)具有較好的陷波特性，且其他UWB頻段仍是通帶，滿足設(shè)計(jì)的指標(biāo)。本文將所設(shè)計(jì)的陷波天線進(jìn)行加工，其實(shí)物如圖6所示。

采用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（E5071C）對(duì)其S11參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，圖7是S11實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯鎏炀€仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果之間有較好的一致性，可以產(chǎn)生3.25~3.6 GHz、5.1~5.9 GHz 和9.5~9.9 GHz 的陷波頻段。圖8給出了有寄生單元和無(wú)寄生單元時(shí)超寬帶天線的增益仿真結(jié)果，有寄生單元天線在3個(gè)陷波頻段內(nèi)的增益具有較低的電平。

超寬帶系統(tǒng)要求天線的具有很好的全向輻射特性，圖9分別給出了本文提出的陷波天線在3.2 GHz、8 GHz和10.5 GHz頻點(diǎn)上的E面、H面輻射方向圖。從圖9中可知，該天線的H面方向圖具有較好的全向性。

3 結(jié)論

本文通過(guò)地板和輻射貼片的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種采用微帶饋電的平面超寬帶天線，并采用在微帶饋線旁邊加載U形寄生單元的方式，獲得了3個(gè)頻段的帶陷特性。采用調(diào)整寄生單元長(zhǎng)度和寬度的方法，可以在不同的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)陷波特性，并且具有很好的全向輻射特性。測(cè)試結(jié)果表明，該天線阻抗帶寬覆蓋了3.1~10.6 GHz的UWB 頻段，并在3.25~3.6 GHz、5.1~5.9 GHz和9.5~9.9 GHz實(shí)現(xiàn)了的陷波特性。天線尺寸僅為23 mm×13 mm× 0.508 mm,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、易于集成，具有良好的應(yīng)用前景。