超宽带陷波天线的设计

朱晓明,侯晓力,王 岩,陈书晴

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

超宽带陷波天线的设计

朱晓明,侯晓力,王 岩,陈书晴

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

为了避免现存的窄带信号对超宽带系统的干扰，提出一种具有附加寄生单元结构的超宽带陷波天线模型。通过对天线矩形辐射贴片和接地板形状的改进，使之在超宽带的辐射频段内具有较宽的阻抗匹配特性，同时在天线背面加入两个T形寄生单元使其具有陷波特性。利用HFSS软件仿真测试天线性能，结果表明所设计的陷波天线实现对WLAN窄带干扰信号的抑制，同时在工作频段内表现出较好的全向辐射特性。

超宽带天线；陷波特性；附加寄生单元；HFSS

2002年4月，美国联邦通信委员会( Federal Communications Commission,FCC)统一规范了超宽带系统(Ultra-wide Band,UWB)的频带范围为3.1～10.6 GHz[1]。超宽带天线的设计需要在整个频段内具有良好的阻抗匹配特性、稳定的增益和良好的辐射方向性，所以超宽带天线成为研究的重点。但是在超宽带系统的频段内还存在着一些窄带系统，例如无线局域网(Wireless Local Area Networks,WLAN)频带(5.15～5.35 GHz，5.470～5.725 GHz)和IEEE802.11a频带(5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz)，以及用于WiMAX服务的频带(3.3～3.6 GHz)，用于通信卫星传输信号的C波段(3.7～4.2 GHz)、X波段(7.25～7.75 GHz，7.9～8.4 GHz)都工作于UWB系统的频段中，这些系统的信号会对超宽带通信产生干扰，因此,设计出具有陷波功能的超宽带天线成为一个重要的研究方向。目前的设计方法主要分为两种:一种是在天线和射频前端之间添加带阻滤波器，或使用具有陷波特性的传输线结构[2-3]；另一种是通过改变天线的结构，从而影响天线上的电流分布来实现陷波的性能，天线相当于增加了一个带阻滤波器，比较常用的方法是刻蚀槽和增加辐射谐振单元[4-10]。

本文提出一种新颖结构的陷波单极子超宽带天线结构，采用共面波导馈电形式，通过引入双T寄生单元，实现超宽带天线对WLAN频段信号的陷波抑制作用。

1 超宽带陷波天线模型

所设计的陷波超宽带天线的基本结构如图1所示，该天线印刷在相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02的介质聚四氟乙烯基板上，其尺寸为22 mm×12 mm×1.6 mm。

设计天线的参数和天线的馈电匹配阻抗与微波传输线的宽度、基板的介电常数、基板高度等参数均有关系，为保证天线的馈电阻抗满足50 Ω匹配，在计算时需要折中考虑参数的选择。为方便计算和分析，根据工程实际经验，天线近似的有效介电常数为

(1)

式中:εeff_slot为有效介电常数，εr为相对介电常数。

(2)

l=λn/4.

(3)

式中:fn为天线的陷波中心频率，λn为该陷波频率所对应的波长。图1中用于陷波作用的双T附加寄生单元的长度l可由式(2)、式(3)计算得出。

图1 陷波超宽带天线结构

经过模型优化设计，最终确定基础天线模型参数如下：W0=7 mm，W1=4.8 mm，W2=1.1 mm，W3=1.8 mm，L0=8.5 mm，L1=3 mm，L2=8 mm，L3=1.8 mm。通过引入附加寄生单元，使其上面的电流与辐射贴片上的电流方向相反，从而使被抑制频带内的反射系数大大增加，在超宽带频谱上实现频带抑制。

2 天线辐射性能分析

为了验证所设计的超宽带陷波天线的特性，应用电磁仿真软件 HFSS进行仿真与分析，确定出最优的天线模型参数，满足超宽带系统的需求。

天线在3.5 GHz、5.5 GHz、8.5 GHz频率下的电流分布情况如图2所示，电流强度逐渐增强。

由图2可见，天线在陷波中心频率 5.5 GHz 处电流主要集中分布在双T形寄生单元，相当于在此位置上串联谐振器达到了谐振状态，这样天线在该频点附近实现了陷波抑制功能；在其他工作频率点下，天线的电流主要集中在金属导带和馈电点附近，表明双T附加寄生单元此时并未处于谐振状态，天线主要表现超宽带特性。

(a) 3.5 GHz

(b) 5.5 GHz

(c) 8.5 GHz

设计天线在工作频段3.5 GHz、6.5 GHz、8.5 GHz时的E面和H面的归一化方向如图3所示，可见在天线H面上全向辐射的特性较好，在E面方向图上近似偶极子天线的辐射特性，也近似接近于全向辐射特性。可是随着频率的增加，E面方向图发生一些畸变，这主要是由于双T附加寄生单元泄露出的电磁波干扰了该天线的辐射特性，但是并不影响该天线整体的辐射性能，它在整个频率范围内还是保持非常好的稳定性，仍能满足UWB通信的需求。

天线的驻波比(VSWR)曲线如图4所示，在超宽带系统所覆盖的3.1～10.6 GHz频段内，当频率范围处于5.11～5.93 GHz内天线驻波比曲线大于2，表明超宽带天线在此范围内具有抑制信号的作用，无法正常工作，实现了对WLAN窄带信号的滤波作用。

(a)3.5 GHz

(b)6.5 GHz

(c) 8.5 GHz

图4 超宽带陷波天线的驻波比曲线

3 结束语

本文所提出的具有双T寄生单元结构的超宽带陷波天线不仅尺寸小、重量轻、结构紧凑，而且易于加工制作，特别适合作为小型化终端超宽带天线设备的结构。同时，为了抑制UWB 系统与WLAN系统之间的潜在干扰，比起在天线设备前端加入带阻滤波器方案，所设计的天线结构更具有实际的应用价值。

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Designofminiaturizationband-notchedUWBantenna

ZHU Xiao-ming, HOU Xiao-li, WANG Yan, CHEN Shu-qing

(College of Electrical and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

In order to avoid narrow-band signal in UWB system, the band-notched UWB antenna with parasitic elements structure is proposed which size is 22 mm×12 mm×1.6 mm. It has wider impedance matching characteristic because of the shape improvement of rectangle radiation patch and ground plane. Two T-shaped parasitic elements make the UWB antenna to have band-notched performance. Based on HFSS software the antenna simulation results show the designed antenna realizes inhibition of narrowband signals from WLAN system and has good omnidirectional radiation characteristics in working frequencies.

UWB antenna;band-notched performance;additional parasitic elements;HFSS

2013-05-04

黑龙江工程学院青年科学基金项目(2013QJ09)

朱晓明(1982-),女, 讲师，研究方向：超宽带天线的设计与应用.

TN82

A

1671-4679(2014)01-0061-03

郝丽英]