一种小型陷波超宽带天线

1  引言

UWB系统的设计和应用是无线通信领域激烈竞争的焦点,尤其是在2002年美国联邦通信委员会FCC将3.1～10.6GHz频段划归为超宽带(UWB)的民用频段后.超宽带天线作为超宽带系统的重要组成部分，成为近年来研究的热点．超宽带天线设计的主要要求包括在超宽频带内阻抗匹配、良好的辐射方向特性，并且要求天线小型化以及制造成本低。

在超宽带系统指定的频段内覆盖了5．150～5．825GHz的无线局域网(WLAN)窄带系统频段，为了抑制超宽带系统与窄带系统间潜在的干扰，通常需要在超宽带系统内引入带阻滤波器滤除窄频带，但这势必增大系统的复杂度．一种简单而有效的方法就是使超宽带天线在WLAN窄带系统的频段内呈现较大的反射系数，即具有陷波功能．近年来,已有不少的文献对具有陷波功能的宽带天线进行了研究，如在天线结构中引入C形寄生单元，方形单极子天线上开U形槽，在平面天线结构中刻成特殊的形状，通过开槽的方式实现陷波功能是一种应用较多的实现办法。

本文提出一种结构简单的微带线馈电的小型平面超宽带天线，通过在圆形辐射贴片上开一个月牙形槽实现陷波功能，它的基本工作原理是在天线结构中引入需要抑制频率的"半波长谐振结构"，等效地引入相应频率上的陷波器，使得该中心频率上天线的驻波比显著增加。通过调节月牙形槽的尺寸能够方便的调节陷波的中心频率和带宽。利用仿真软件HFSS对天线进行仿真，对月牙形槽的参数进行研究。通过数值计算和实验测量，充分研究了这种天线的工作特性。天线工作在3～10GHz的工作频带内具有较好的阻抗特性和方向图，在5～6GHz的频段内，通过开槽的方式能显示出良好的陷波特性。

2  天线设计

本文的天线是通过在超宽带天线上引入一个月牙形槽的方式产生陷波特性的，所以首先得选择一种超宽带的天线形式。文中采用如图1所示的超宽带平面单极子天线，天线的地板采用半圆形，辐射单元的结构如图所示，采用50W的微带线馈电，地板和单极子辐射单元间存在一定的间隙，这使得天线拥有行波天线的特征，这是天线具有超宽带特性的重要因素。天线制作在介电常数ε＝4.4，损耗正切tanδ＝0.02，厚度h＝1.5mm的FR-4基片上，地板的半径Rd＝18mm，圆形辐射单元的半径R＝8mm。利用HFSS对其进行仿真，其仿真与实测的驻波如图2所示，实线为实测结果,虚线为仿真结果,仿真结果和实测的结果基本吻合，虽然在整个频段内有个别频段的驻波略大，但并不影响采用这种形式的超宽带的天线为基础设计超宽带的陷波。

图1  超宽带的天线形式

图2  超宽带的天线实测和仿真驻波

为了实现陷波功能，在圆形辐射贴片上开了一个月牙形槽，如图3，即在天线结构中引入半波长的谐振结构，当调整月牙形槽的总长约为所需抑制频率对应的半波长时，在该频率点及其附近输入阻抗异常，阻抗失配．陷波中心频率与月牙形槽的关系为

        （1）

式中L为月牙形槽中心线的长度；ε为相对介电常数；c为光速。利用式（1）可以有效地指导天线的设计，选取所需月牙形槽的尺寸。

图3  具有陷波特性的超宽带的天线形式

选取月牙形槽的外圆半径rw＝3.5mm，内圆半径rn＝3mm，图4给出了它在3.0GHz、6.0GHz和10.0GHz三个频点E面和H面的方向图。

图4  具有陷波特性的超宽带的天线方向图

从图中可以看出，在频率较低的时候，天线H面具有比较好的全向性，E面是类似于偶极子天线的双向方向图。当频率较高时方向图变差。

3  月牙形槽的影响

通过HFSS的仿真，选取合适的月牙形槽的外圆和内圆半径能够调节陷波的中心频率和带宽。在不改变其他参数的前提下，研究槽尺寸的变化对陷波中心频率和陷波带宽的影响，分别取（a）外圆半径rw＝3.5mm，内圆半径rn＝3mm，（b）外圆半径rw＝4mm，内圆半径rn＝2.8mm，（c）外圆半径rw＝5mm，内圆半径rn＝4mm，如图5所示。

(a) 仿真结果

(b) 实测结果

图5  槽对陷波位置的影响

比较仿真结果和实测结果发现陷波中心频率两者基本一致，从实测可以看出在5GHz~ 6GHz的频段内天线的陷波性能较好，更易于实现陷波，使得该天线可用于抑制超宽带系统与5.150～5.825GHz的无线局域网(WLAN)窄带系统频段系统间潜在的干扰。

4  结语

本文提出一种可以应用于超宽带系统的具有陷波功能的超宽带天线。通过在圆形贴片上开一个月牙形的缝隙，引入了半波长谐振结构而获得了陷波特性。通过仿真软件HFSS仿真计算，确定了天线的几何尺寸，进行实物的加工，从对实物的实测的情况看，在5GHz～6GHz范围内天线的陷波特性较明显。该天线尺寸很小，加工容易，是一种性能较好，具有实用价值、能广泛应用于超宽带系统中的超宽带天线。