一款结构简单的双陷波超宽带天线*

王善进，雷瑞庭，刘华珠，陈　琼，李秀平，杨　杰

（东莞理工学院电子工程学院，广东东莞523808）

一款结构简单的双陷波超宽带天线*

王善进*，雷瑞庭，刘华珠，陈琼，李秀平，杨杰

（东莞理工学院电子工程学院，广东东莞523808）

利用仿真软件HFSS设计了一款共面波导馈电的超宽带（UWB）天线。采用开槽的方法实现了天线在WLAN（5.15 GHz～5.825 GHz）和ITU卫星通信（8.025 GHz～8.4 GHz）频段的陷波特性。在介电常数为4.4的FR4介质基板上制作了天线，天线尺寸仅为22 mm×28 mm×0.8 mm，易于与其它电路集成。实测和仿真结果吻合较好。

HFSS；共面波导；超宽带天线；陷波

这些年来，超宽带无线通信由于其独特的技术优势，引发了相关领域的持续研究热潮，技术层面由此不断取得长足的进步。天线作为无线通信系统的关键器件，毫无例外地得到了众多研究者的关注，各种结构的超宽带天线伴随着国内外研究工作的推进相继问世。这些天线大都是平面结构，馈电一般采用微带或共面波导模式。这类天线尺寸小、剖面低，易于与其它有源电路集成。

我们知道，在超宽带通信的3.1 GHz～10.6 GHz频段内已经存在着Wlan（5.15 GHz～5.825 GHz）以及卫星通信（8.025 GHz～8.4 GHz）等其它的无线窄带信号频段，超宽带通信系统与这些窄带通信系统之间可能发生的相互串扰将影响到它们的正常工作。所以，在超宽带无线通信系统中研究如何滤除这些无线窄带通信杂波的工作，无疑对这些通信系统之间的频段合理规划及通信性能的提高，具有重要的现实意义。

在超宽带天线的工作频段内嵌入阻带（陷波）的方法是解决上述窄带信号干扰的基本思路之一［1-8］。显然可以在通信系统的天馈端增加相应的滤波器，实现窄带干扰信号的滤除，但这种方法的代价是系统体积的增大，甚至整体性能的恶化，同时陡峭滤波特性滤波器的设计也非易事，因此目前较为可行的方法是在天线结构上做工作。包括：（1）加载枝节该方法通过在天线的辐射单元或者馈线的合适位置加载不同形状和长度的金属枝节，利用该枝节的电容效应，实现所需频段信号的抑制，常见于微带或共面波导馈电的印刷单极子天线；（2）开槽在天线的辐射单元上开出不同形状和长度的槽线，通过对槽线的几何尺寸进行优化设计，实现干扰信号的频段抑制。（3）耦合单元在天线辐射单元或馈线单元附近加载一定形状和大小的单元，利用天线和加载单元的耦合效应，通过优化耦合单元的位置和几何形状，实现陷波特性。

在简单的矩形辐射单元天线结构基础上，本文利用辐射单元和馈线同时开槽的方法，设计了一款共面波导馈电的具有双重陷波特性的超宽带天线。天线最大的特点是结构非常简单，易于加工制作。仿真和实测均表明了该天线的工作频段覆盖了 3.1 GHz～10.6 GHz，且可对 Wlan（5.15 GHz～5.825 GHz）以及卫星通信（8.025 GHz～8.4 GHz）两频段的窄带信号能进行有效的抑制。

1　天线结构

众所周知，与常规的微带传输线相比，共面波导更易于与其它无源或有源器件实现集成，特别是到了微波毫米波频段，共面波导可避免信号的基片过孔困难。共面波导作为一种性能优越、加工方便的微波毫米波平面传输线，在超宽带天线的设计中有着其它传输线结构所不可比拟的性能优势。如图1所示为本文提出的共面波导馈电超宽带天线。天线主要由介质基板、共面波导馈电线、共面波导接地面、矩形辐射单元和两条“U”形均匀槽线组成。

图1　天线结构示意图

2　天线的设计

天线的馈电采用有限地共面波导结构如图2所示，其特性阻抗计算公式可参见文献［9］中的论述，主要利用如下4个公式：

其中

式中εr、εeff、h、W、W0、S分别为介质基板的相对介电常数、基板的有效介电常数、基板厚度、基板宽度、共面波导馈线宽度及波导馈线与地的间隙。K（k）、K'（k）为第1类完全椭圆积分函数及其补函数，k为函数的自变量。

图2　有限地共面波导结构

参见图1，在共面波导馈电的超宽带天线上利用开槽技术进行阻带嵌入设计。天线辐射单元上的“U”形槽用来产生中心频率为8.2 GHz的阻带，共面波导馈线上的“U”形槽则可产生中心频率为5.5 GHz的阻带。一般地，槽线的长度可初步用式（5）计算得到

式中，c为光速，fnotch为阻带频段中心频率，εr为基板的有效介电常数。

确定初步的尺寸后，利用HFSS建模分析。

改变辐射单元上的开槽线长度Lg1，使之由5.2 mm增加到5.4 mm，可以发现，天线上半部的陷波频段随着槽线的长度增加向低频段发生了移动，其中心频率由大约8.4 GHz下移到8.0 GHz附近，参见图3，这种现象与前述的物理原理是一致的。

图3　辐射单元上的开槽线长度对陷波频段的影响

同样地，如果改变共面波导馈电线上“U”形槽线的长度，可观察到同样的现象。但因为波导馈电线相对于天线的辐射贴片来说，面积要狭窄许多，因而该“U”形槽线需要十分细致的安排，否则会引起天线性能剧烈的变化。图4为“U”形槽线底部宽度由0.4 mm增加到0.6 mm时天线回波损耗的变化，可见当Sg2为0.6 mm时，天线通带的上半部S11已经高出-10 dB，性能变差，可见该参数的影响是非常敏感的。

图4　共面波导馈电线上槽线对天线性能的影响

作为天线馈电的共面波导是设计工作的另一个重要部分，图5给出了馈线宽度和馈线与地间距对天线回波损耗的影响。其中图5（a）曲线说明了随着馈线宽度的增加，天线的带宽在缩减，主要体现在高频段部分，低频段的影响较弱。图5（b）表明了馈线与地间距是一个非常敏感的参数，它的细微变化对天线的影响很是明显，这种影响也主要体现在高频段。

图5　共面波导对天线性能的影响

天线的矩形辐射单元与地的间距d和“U”形槽线的宽度Wg1或Wg2，以及槽线在天线或共面波导馈线上的位置等参数对天线性能的影响也是十分重要的，利用HFSS软件可以对这些参数的影响进行详细的分析。

对天线的相关参数优化后，得到天线的回波损耗曲线如图6所示。可见天线的带宽为3.1 GHz～15.0 GHz左右，阻带（陷波）频段中心频率分别为5.6 GHz和8.2 GHz，达到了设计要求。图7给出了天线在不同频点的辐射图（H面）对比，表明天线良好的宽带全向特性。根据仿真结论制作了实际天线，介质基板为FR4板材，介电常数为4.4，几何尺寸为22 mm×28×mm×0.8 mm，图8为实物天线的照片。图6中的虚线为该天线回波损耗的实测曲线，可见实测天线带宽变窄，特别是低频段差异较大，原因可能主要来源于SMA接头、焊接、天线制作误差和测试条件等，但两条曲线的走势还是吻合良好的。

图6　优化后天线的回波损耗

图7　天线在不同频点上辐射方向图的对比（H面）

图8　天线实物照片

3　结语

设计了一款具有双阻带（陷波）共面波导馈电的矩形超宽带天线，天线的工作频段覆盖了3.1 GHz～10.6 GHz，陷波频段中心频率分别为5.6 GHz和8.2 GHz。该天线具有结构简单，易于制作的特点。通过对产生陷波的槽线位置、长度及宽度等参数进行优化，可以实现对陷波频段的灵活控制。制作了实际天线，且进行了实测与仿真的对比分析，结果表明两者符合良好。

［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，Faraji-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.

王善进（1966-），男，工学博士，现为东莞理工学院电子工程学院教授。主要从事电子线路的教学和科研工作。兴趣领域为射频平面无源器件与电路的设计，wsj999167@126.com；

雷瑞庭（1980-），男，学士，现为东莞理工学院电子工程学院实验师。主要从事电子线路和嵌入式系统的实验教学和研究工作。

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

项目来源：广东省科技计划项目（2013B010401040）

2015-11-07修改日期：2015-12-04

EEACC:527010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.006