一种具有双阻带功能的共面波导馈电超宽带天线设计

1 引言

自从2002年2月美国联邦通信委员会（FCC）将3.1-10.6GHz频段划归超宽带（UWB）的民用频段⁼，UWB无线通信系统的设计和应用便成为了无线通信领域激烈竞争的焦点。作为超宽带系统的重要组成部分，超宽带天线的设计也成为了科学界和工程界的热门研究课题。但是在UWB频段内存在其他无线通信系统，比如3.3-3.6 GHz的WiMAX和5.15-5.825 GHz的WLAN等。

为了减小UWB系统与其他无线通信系统的相互干扰，具有陷波功能的超宽带天线也被广泛研究。近年来已经有许多具有陷波功能的超宽带天线相继被提出，其中大量的陷波结构都是通过在天线上开槽实现的。对于微带类超宽带天线，还可以通过在地板开槽或者馈线处加载谐振器来实现陷波功能。但对于共面波导馈电超宽带天线，大部分陷波都是通过在辐射体上开槽实现的，关于如何在地板实现陷波功能的研究并不多。

本文提出了一种具有双阻带功能的共面波导馈电超宽带天线。这两个阻带分别是通过在天线的地板两端对称地开两条槽和在辐射体上开槽来实现的，阻带的中心频率分别为5.5和3.5 GHz。实测与仿真结果表明该天线在期望阻带外的其他UWB频段内表现出良好的宽带阻抗匹配特性与稳定的增益，并且该天线具有良好的全向辐射特性。

图1 天线结构图

图2 陷波超宽带天线实物图

2 天线设计

本文提出的具有双阻带功能的共面波导馈电超宽带天线结构如图1所示，天线的整体尺寸为L×W =30×30 mm²。其主要辐射单元是一个半径R=18 mm的圆片的一部分。共面波导传输线具有50om的特性阻抗，宽度为L₁=4 mm,与地板之间的间隔为g=0.5 mm。两端地板各自切除了一个三角形来实现更好的阻抗匹配。

该天线的两个阻带是通过在上述超宽带天线的地板和辐射单元上开槽分别实现的。通过在两端地板靠近馈线位置各开一条细槽可以实现一个阻带，槽的长度约为期望阻带中心频率对应波长的1/4。同时，在辐射体上开槽实现了天线的第二个阻带，槽长约为期望阻带中心频率对应波长的1/2。通过调节各槽的长度、宽度与位置可以获得阻带性能良好的陷波超宽带天线。

图3 天线的电压驻波比特性

（a）E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

图4 天线在3.1 GHz 的辐射方向图

(a) E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

图5 天线在7 GHz 的辐射方向图

该天线被印制在相对介电常数为er=4.4，厚度为h=1.6 mm的FR4介质板的同一侧。这种共面结构容易加工与集成，成本低廉，且与射频电路之间的影响很小。天线的各个参数是通过使用Ansoft公司的HFSS软件仿真优化的结果，最优的结果为：L×W =30×30 mm²，g=4 mm，d=0.5 mm， gap=1.3 mm，R=18 mm，W₁=9.9 mm，W₂=1.8mm，W₃=9 mm，W₄=0.7mm，L₁=7.8 mm，L₂=0.92 mm，L_slot1×W_slot1=7.8×0.22 mm²，L1_slot2=12.6 mm，L2_slot2= 10 mm，L3_slot2=1 mm，W_slot2=0.3 mm， W1_slot2= 3.7 mm。天线的实物照片如图2所示。

3 结果与讨论

天线的测量使用了安捷伦公司的矢量网络分析仪，型号为N5230A。图3为电压驻波比（VSWR）的测量与仿真结果对比图，这两个结果吻合地很好。测量与仿真结果表明：该天线在5.15-5.825 GHz的WLAN和3.3-3.6 GHz的WiMAX两个频段内均满足VSWR > 3，而在两个频段外的其他UWB频段内基本满足VSWR 2，从而有效抑制了UWB系统与这两个通信系统之间的潜在干扰。

图4-6是天线在3.1，7.0和10 GHz三个频点的归一化E面（XOZ面）和H面（YOZ面）测量仿真对比辐射方向图。由图可知，天线在低频时其辐射特性与半波阵子相似，E面为一个8形，H面具有全向辐射特性。随着频率的增加，方向图有一定的恶化，但是其H面仍然是接近全向的，表明该天线在整个超宽带频段内具有良好的全向辐射特性。

(a) E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

图6 天线在10 GHz 的辐射方向图

图7是天线的增益特性图。在整个超宽带频段内，天线增益基本稳定在平均值为3.5 dB左右。并且在设计的两个阻带内，其增益有显著下降，在3.5和5.5 GHz两个阻带中心频率的增益分别下降至-7和-4 dB，有效抑制了UWB与WLAN和WiMAX的相互影响。

图7 天线增益图

4 结论

本文提出了一种具有双阻带功能的共面波导馈电超宽带天线。仿真与测量结果表明，该天线实现了在3.1-10.6 GHz频段内VSWR 2的宽带阻抗匹配，但是在期望的WLAN和WiMAX阻带内天线满足VSWR > 3，有效抑制了UWB系统与其他通信系统的潜在干扰。在整个频段内，天线具有平均值约为3.5 dB的稳定增益，并且在两个阻带内增益有显著下降。天线还具有近似全向的辐射特性，表明该天线是一种性能良好、具有实用价值的超宽带天线。