一種雙陷波超寬帶單極子天線的設計

摘要 提出了一種新型雙陷波特性的超寬帶單極子天線。通過在介質基板上添加錐形輻射貼片，天線可以覆蓋超寬帶通信頻段。在輻射貼片上引入上、下兩個錐形縫隙結構，可以實現3.5 GHz、5.5 GHz的雙陷波特性。天線實測模型電壓駐波比2的阻抗帶寬是2.56～10.61GHz，其中3.18～3.76 GHz和4.4～5.75 GHz具有陷波特性。測試表明，天線在工作頻帶內具有全向輻射特性。

20世紀90年代，超寬帶技術已經應用于軍事領域。隨著短距離無線通信的發展，2002年美國聯邦通信委員會劃分3.1～10.6 GHz頻段用于商用的超寬帶通信系統，從此uWB技術進入了高速發展時期。

由于在超寬帶的頻率范圍與現有的無線通信系統頻率相重疊如：WIMAX(3.4～3.6GHz)、WIAN(2.4～2.484 GHz，5.15～5.35GHz，5.725～5.825 GHz)、HIPERLAN/2(5.15～5.35 GHz，5.47～5.725 GHz)等。為了避免超寬帶通信系統中的其他頻段的相互干擾，具有陷波特性的超寬帶天線得到了廣泛的設計與研究。

近年來，天線工程師開始將諧振結構直接蝕刻在超寬帶天線的輻射貼片上或貼片周圍，使天線在干擾頻段內具有陷波特性。通常使用的陷波結構為“C”或“U”形縫隙或金屬條帶。然而很多設計不僅結構復雜而且大部分只是單陷波特性。

本文提出了一種具有雙陷波特性的微帶饋電的超寬帶天線。通過在錐形輻射貼片上腐蝕兩個錐形縫隙，可以使天線在3.5 GHz和5.5 GHz獲得陷波特性。測試結果表明天線電壓駐波比小于2的阻抗帶寬是2.56～10.61 GHz，并且在帶內具有較好的雙陷波和全向輻射特性。

1 天線的設計與結構

圖1給出了采用錐形縫隙的雙陷波超寬帶印刷天線的結構圖。天線蝕刻在相對介電常數εr為4.4，厚度H為1.52 mm的FR4介質基板上，整體尺寸為35 mm×30 mm，地板大小為30 mm×13.5 mm。饋電部分是50 Ω的微帶線，其中微帶線寬度為2 mm，并與SMA型同軸連接器相連。天線正面是錐形的輻射貼片，選取合適的尺寸，可以使天線得到超寬帶性能。通過在輻射貼片上引入上、下兩個錐形縫隙，可以使天線在3.5 GHz和5.5 GHz處實現雙陷波特性。

為分析改進結構對天線電性能的影響，采用3D電磁仿真軟件Ansoft HFSS V13對設計的天線進行了仿真優化分析。經過仿真實驗及加工調試后確定的天線尺寸如下：L=35 mm，L1=15 mm，L2=6.5 mm，L3=5.5 mm，L4=1.5 mm，L5=13.5 mm，W=30 mm，W1=2 mm，W2=4 mm，W3= 29 mm，S1=2 mm，S2=1.5 mm，H=1.52 mm。上下兩個縫隙的長度分別為p1=25 mm，p2=16 mm。

2 結果分析

圖2給出了天線在頻率為3.5 GHz、5.5 GHz時的仿真表面電流分布?？梢钥闯?，天線工作在3.5 GHz時，表面電流主要集中在上面的錐形縫隙周圍;工作在5.5 GHz時，表面電流主要集中在下面的錐形縫隙周圍。此時縫隙上下兩側的電流方向相反，天線工作于準傳輸線模式。由于縫隙長度約為1/4波長，此模式將縫隙上側的高阻抗轉變為下側的零阻抗，導致天線的阻抗失配，造成天線不能向外輻射，也就形成了天線的陷波特性。

圖3和圖4分別給出了縫隙長度p1和p2取不同值時，天線電壓駐波比的仿真結果。如圖所示，可以看出調節錐形縫隙的長度可以改變陷波頻帶的位置，且基本不會影響其他的工作頻帶。

利用矢量網絡分析儀Agilent—E5071B對加工后的天線模型進行了測試，圖5給出了有無錐形縫隙時，天線電壓駐波比的仿真和實測結果?？梢钥闯?，天線電壓駐波比的實測曲線與仿真結果基本吻合，在頻段內的差異可能是由于加工誤差和測量環境引起的。引入錐形縫隙后，天線明顯產生兩個陷波頻帶(3.18～3.76 GHz和4.4～5.75 GHz)。實測結果表明，天線模型的電壓駐波比2的工作頻帶為2.56～10.61 GHz，滿足了UWB通信系統對工作帶寬的基本要求。

圖6分別給出了3.1 GHz、4 GHz和8 GHz頻點處的實測遠場方向圖。在y—z平面內(E面)，天線輻射方向圖具有類似單極子天線的方向圖;在z-y面(H面)內，天線輻射方向圖近似全向。

圖7給出了天線在工作頻帶內的實測增益曲線。如圖所示，天線增益在3.5 GHz、5.5 GHz頻帶內有明顯下降，說明該天線具有良好的雙陷波特性。

3 結束語

本文提出了一種新型的用于UWB通信系統的雙陷波超寬帶印刷單極子天線。利用改進的錐形輻射貼片和錐形縫隙，使得天線形成帶有雙陷波特性的超寬帶天線。實測結果表明，天線滿足UWB通信的阻抗帶寬，并具有良好的雙陷波特性和全向輻射特性。因此，該天線在無線超頻帶通信系統中有較好的應用前景。