张勇

广东工业大学 物理与光电工程学院, 广东 广州510006

摘要：提出了一种基于C/U形槽、具有双陷波特性的平面超宽带单极子印制天线。其天线的组成部分包括椭圆球拍形辐射贴片、微带馈电线和矩形地板。通过在球拍形辐射贴片蚀刻C形槽、馈电线蚀刻U形槽的方法，使天线在WiMAX（33~37 GHz）和WLAN（515~5825 GHz）频段内具有双陷波性能。仿真和测量结果表明，这种新型天线在通频带(25~106 GHz)内电压驻波比小于2，在29~39 GHz和49~60 GHz两个频段内电压驻波比大于5，阻带的频率可通过蚀刻槽的长、宽来调节。该天线的测试结果与仿真结果吻合良好，且尺寸小巧、结构简单、成本低，可应用于超宽带通信系统。

　关键词：超宽带天线；双陷波；单极子天线；阻带

0引言

　　随着高速无线传输技术的发展，特别是美国联邦通信委员会(Federal Communications Committee)在2002年宣布将31~106 GHz的通信频段划归为超宽带（UltraWideband）商业频段［1］，超宽带天线作为UWB系统的重要组成部分，因其具有极宽的频带、良好的全辐射特性、成本低等优点逐渐成为近年来研究的热点［2］。但是,随着智能手机和平板电脑等一系列智能移动终端的不断研究和普及，无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork, WLAN）的应用也越来越广泛［3］，其频段（515~5825 GHz）正被超宽带天线的工作频段所覆盖；同时全球微波互联接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX,频段为34~36 GHz）［4］也在UWB天线的频带范围内。因此，其在上述窄带无线通信系统工作频带内反射系数较大，即具有陷波功能，从而能够抑制与超宽带系统之间的潜在干扰，使超宽带陷波天线逐渐被广泛研究和发展。

　　超宽带陷波天线理论首先由SCHANTZ H G等人［5］于2003年提出，为了实现双陷波特性所采用的多种结构［67］等，添加C形寄生元素［8］，开口谐振（SplitRingResonator）［9］，在辐射贴片或地板上蚀刻U形槽和E形槽［1012］，电磁带隙结构（Electromagnetic Band Gap Structures）［1314］。但是，单个共振结构也可以产生多重陷波功能，不足的是这种天线的尺寸较大（50 mm×80 mm［15］），设计复杂，成本也较高。

　　因此，本文设计了一种结构新颖、简单且尺寸较小的平面超宽带陷波天线，使用在球拍形辐射贴片上蚀刻一个C形槽和在微带馈电线上蚀刻一个U形槽的方法，来产生满足WiMAX（33~37 GHz）和WLAN（515~5825 GHz）频段的双陷波特性；并且，可以通过改变蚀刻槽的长、宽等参数来调整双陷波频带。

1天线的结构和设计原理

　　图1为该天线的结构示意图。天线介质基板的尺寸为36 mm×36 mm×16 mm，相对介电常数为44，损耗角正切tanδ=002。天线的辐射贴片由特性阻抗值为50 Ω，长为14 mm的微带线馈电。WiMAX和WLAN的陷波频段能够由下列两个公式计算得出：

　　fWLAN-notch=c/B2(εr+1)（1）

　　fWiMAX-notch=c/2S2(εr+1)（2）

　　c代表真空中的光速，εr表示相对介电常数，B=2L1+2W1、S=S2+S3+S4+S5+S6+S7+S8，L1、L2、L3、W1和Z3分别是C形槽中矩形条和圆弧槽的长、宽度，S1表示C形槽中横向矩形条的宽度，S2~S8和Z1则分别代表馈电线上U形槽长、宽。本文选择商业仿真软件HFSS 150进行天线尺寸参数的优化设计。超宽带天线以及在天线上蚀刻的C形槽和U形槽的最优尺寸如下所示：a=10 mm， b=8 mm， L= 14 mm， Z1=029 mm， Z2=471 mm， Z3=076 mm， L1=775 mm， L2=679 mm， L3=725 mm， L4=456 mm， W1=65 mm， S1=06 mm， S2=061 mm， S3=23 mm， S4=043 mm， S5=12 mm， S6=06 mm， S7=38 mm， S8=028 mm， Wgnd=125 mm， Lgnd=36 mm。

2天线的陷波特性研究

　　使用商业仿真软件HFSS 150对影响天线陷波性能的关键参数包括C形槽长度L1和W1以及U形槽的长、宽度S2、S3、S6、S7进行仿真验证，以便更加详细地说明辐射体上蚀刻C形槽和馈电线上蚀刻U形槽的尺寸参数对该天线陷波特性的影响规律。

　　加入C形槽和U形槽前后天线的仿真结果对比图如图2所示。可见，该天线在34~37 GHz和53~58 GHz两个频段具有良好的陷波特性。

　　从图3中可以看出，辐射体上蚀刻的C形槽使得天线在WiMAX频段反射系数增大，产生陷波特性。图3（a）表明，C形槽的长度L1越长，相应陷波中心频率越高，电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio)也增大，但陷波频带也扩大。图3（b）则表明随着弧形槽长度W1的增大，天线的第一个陷波频段逐渐向低频段平移，电压驻波比也有所增大。因此，可以通过调节L1、W1来实现不同频段上的陷波功能。

　　图4表示U形槽的尺寸参数对天线在WLAN频段电压驻波比的影响。从图4可以看出，随着微带馈电线上的U形槽的参数S2、S6和S7的增大，天线的第二个陷波频段的中心频率逐渐向低频段平移。图4（b）表明随着U形槽的参数S3的增大，第二个陷波频段的中心频率逐渐向高频移动。图3C形槽参数对天线电压驻波比的影响

　　因此，可以调节参数S2、S3、S6和S7来达到所需要抑制的频率点，从而优化天线高频端的驻波特性。

　　从图3和图4可得，该天线中单一C形槽或U形槽物理尺寸的变化没有使两个槽同时存在时所产生的两个陷波频段发生较大的偏移，这两个陷波频段具有较高的隔离度。因此，可以通过调节C形槽和U形槽的具体尺寸来实现抑制超宽带通信频带内两个窄带通信系统（WiMAX和WLAN）频率点干扰信号的目的，这大大提升了该天线设计的灵活性和使用需求。

3天线的实物测量结果和分析

　　基于图1所示天线的结构，对该天线进行了实物制作，图5为该超宽带陷波天线的实物照片。利用安捷伦公司型号为E5071C的矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer)对天线的电压驻波比进行实际测量，并与HFSS 150的仿真结果进行对比，对比结果如图6所示。

　　从图6可以看出，该天线在频段275~1098 GHz内电压驻波比小于2，符合超宽带天线的工作频段。其在29~39 GHz和49~60 GHz两个频段内的电压驻波比大于5，具有陷波特性。且这两个陷波频段包含了WiMAX 33~37 GHz 和WLAN 515~5825 GHz频段，能够有效抑制这两个工作频段的干扰。从图（6）中可以得出，该天线的软件仿真与实物测量结果基本吻合，但在WLAN窄带通信系统频带处存在一定的误差。造成误差的原因可能是蚀刻C/U形槽和剪裁天线基板（FR4）过程中的加工误差以及SMA高频同轴接头的焊接问题等其他客观因素。

　　图7和图8分别表示超宽带陷波天线在33 GHz和55 GHz这两个频率点得到的平面和三维归一化辐射方向图。由图可得，该天线在Ｅ面（yoz面）近似于“８”字形，类似于偶极子天线，而在Ｈ面（xoz面）的辐射方向图则表明天线在整个超宽带工作频带内具有近乎等幅和全向，符合超宽带天线在工作带宽内辐射方向一致性的要求。

　　为了更好地说明所述天线中C/U形状槽的辐射原理，对在不同频率下的电流分布进行模拟仿真。如图9所示，选取33 GHz和55 GHz这两个频率点，进行天线表面辐射体上电流分布的模拟仿真。可以清楚地看到，天线表面的电流分布主要集中在C/U形槽的中下部，而在辐射贴片上的电流是微弱的。因此，可以表明，正是因为这种C/U形槽使得天线在33 GHz和55 GHz左右的频带辐射效率降低，呈现较大的反射系数，从而产生了所需的陷波特性。

4结论

　　文中设计了一种新颖的平面超宽带陷波天线，与参考文献相比，该天线尺寸较小，结构简单，具有便于电路集成和生产的平面印制结构。通过在天线的球拍形辐射贴片上蚀刻C形槽和在微带馈电线上蚀刻U形槽的方法，实现了抑制WiMAX和WLAN这两个窄带无线通信系统与UWB系统之间的潜在干扰的功能。使用商业电磁仿真软件HFSS 150论证了辐射贴片上C形槽和微带馈电线上U形槽的尺寸参数对天线陷波特性的影响规律，并实际制作和测量了该款天线，其实物测量的结果与软件仿真基本一致。该天线同时具有成本低、性能稳定、工程实用价值高以及在极宽的频带具有良好的等幅、全向辐射特性，因此可作为UWB系统中超宽带陷波天线的设计方案。

参考文献

　　［1］ Federal Communications Commission. First report and order in the matter of revision of part 15 of the Commission’s rules regarding ultrawideband transmission Systems ［R］. ETDocket, 2002: 98153.

　　［2］ Chu Qingxin, Yang Yingying. A compact ultrawideband antenna with 3.4/5.5 GHz dual bandnotched characteristics［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2008, 56(12): 36373644.

　　［3］ CROW B P, WIDJAJA I, KIM J G, et al. IEEE 80211 wireless local area networks［J］. IEEE Communications Magazine, 1997, 35(9): 116126.

　　［4］ PAN C Y, HORNG T S, Chen Wenshan, et al. Dual wideband printed monopole antenna for WLAN/WiMAX applications ［J］. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2007(6): 149151.

　　［5］ SCHANTZ H G, WOLENEC G, MYSZKA E M. Frequency notched UWB antennas ［C］. IEEE Proc., UWBST. 2003.

　　［6］ KIM D O, KIM C Y. CPWfed ultrawideband antenna with tripleband notch function ［J］. Electronics Letters, 2010, 46(18): 12461248.

　　［7］ Li Wentao, Shi Xiaowei, Hei Yongqiang. Novel planar UWB monopole antenna with triple bandnotched characteristics［J］. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009, 8(4): 1094-1098.

　　［8］ Qiu Jianming, Du Zhengwei, Lu Jianhua, et al. A planar monopole antenna design with bandnotched characteris