0 引言

    微帶天線具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、易加工等優(yōu)點，所以在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中獲得越來越多的應(yīng)用。美國聯(lián)邦通信委員(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)在2002年宣布將3.1 GHz～10.6 GHz頻段劃歸為超寬帶(ultra-wideband, UWB)的民用頻段，使得UWB通信技術(shù)在科學(xué)研究和工程實踐中都獲得了大量的關(guān)注和發(fā)展^[1]。但是在UWB頻譜范圍內(nèi)還存在其他通信系統(tǒng)的工作頻段，比如無線局域網(wǎng)(5.15 GHz~5.85 GHz)和X波段下行通信信號(7.25 GHz~7.75 GHz)^[2]。這些通信系統(tǒng)和UWB通信系統(tǒng)之間會存在一定的相互干擾，嚴重時會影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量。因此，為了避免UWB通信系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)的潛在干擾，增強它們之間的兼容性，工程上通常在UWB通信系統(tǒng)中使用具有陷波結(jié)構(gòu)的UWB天線，抑制UWB通信系統(tǒng)在對應(yīng)陷波頻段的輻射功率或接收到的來波功率。

    隨著無線通信設(shè)備水平的不斷提高，人們從對超寬帶天線的研究^[3]，轉(zhuǎn)向?qū)Τ瑢拵炀€加入陷波結(jié)構(gòu)的改進，同時陷波頻段的要求也不盡相同，使得國內(nèi)外的學(xué)者和天線工程師設(shè)計了各種陷波UWB天線結(jié)構(gòu)^{[1-2，4-7]}。這些實現(xiàn)陷波特性的天線結(jié)構(gòu)一般采用在輻射貼片或饋線以及地板上開縫，或者在饋線和輻射貼片的附近增加導(dǎo)體結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，其目的都是在需要陷波頻段引起額外的諧振頻率。這些天線的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易實現(xiàn)，所以工程實踐中得到非常多的應(yīng)用。本文設(shè)計一種雙陷波超寬帶微帶天線(DNS-UWB-MSA)結(jié)構(gòu)，采用五邊形貼片作為輻射結(jié)構(gòu)，結(jié)合DGS技術(shù)和阻抗?jié)u變手段展寬工作頻帶，實現(xiàn)UWB工作；分別在輻射貼片和饋線上嵌入矩形和U形窄縫實現(xiàn)對WLAN和X波段下行通信頻段的陷波。

1 天線結(jié)構(gòu)

    圖1為本文設(shè)計的雙陷波超寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)。天線介質(zhì)板采用相對介電常數(shù)ε_r=4.4、損耗角正切tanδ=0.02、厚度h=2 mm的Fr4，且沿x和y方向橫向尺寸分別為W和L。五邊形輻射貼片邊長為S，微帶線饋線長、寬分別為L_f和W_f；天線工作頻率主要由五邊形的尺寸決定，尺寸越大，天線工作頻率越低；饋線寬度W_f決定饋電的特性阻抗，本設(shè)計中為50 Ω。金屬地板沿x和y方向大小分別為W_g=W和L_g；引入DGS技術(shù)，在地板上刻蝕三個矩形槽，中間槽大小為b×c、邊沿兩個槽大小相同大小為a×c，三個矩形槽與地板邊緣的距離為k。在饋線和貼片之間，增加一個圓弧形阻抗變換結(jié)構(gòu)，便于調(diào)節(jié)阻抗匹配和工作頻率，圓弧半徑為r。為了實現(xiàn)陷波性能，分別在輻射貼片和饋線上嵌入矩形和U形窄縫；矩形窄縫大小為L_s1×W_s1，縫隙距離輻射貼片下邊沿為d₁；U形窄縫兩臂長為L_s2、兩臂距離為D_s2、縫隙寬度為W_s2，縫隙距離介質(zhì)板下底邊為d₁；通過調(diào)節(jié)兩條縫隙的長度，容易在需要頻段實現(xiàn)陷波性能。

2 天線工作性能

    利用Ansys HFSS軟件對天線結(jié)構(gòu)進行建模、仿真和優(yōu)化，最終確定介質(zhì)板大小為32 mm×23 mm且天線其他主要幾何參數(shù)取值如表1所示時，天線工作頻帶覆蓋3.1 GHz~10.6 GHz，且對WLAN和X波段下行通信信號具有較大的陷波性能。圖2所示為天線加工實物和在微波暗室測試圖。

    從圖2可見，本文設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)和饋電結(jié)構(gòu)非常簡單、尺寸小，非常適合用于小型化UWB無線通信系統(tǒng)中。同時看到，因為天線尺寸小，所以在實際測試過程中需要充分考慮好天線安裝問題。因為測試中的支撐體為金屬結(jié)構(gòu)，所以將天線利用泡沫材料固定在遠離金屬支撐體的位置，而且將外接測試儀器的同軸線纜在不影響測試前提下進行必要的固定和隱藏處理，以減小對天線輻射方向圖的影響。

    圖3所示為天線電壓駐波比。從圖中可以看到實際測試和軟件仿真曲線在工作頻帶內(nèi)吻合較好，實測VSWR≤2的整體頻率范圍是3.08 GHz~10.64 GHz，覆蓋3.1 GHz~10.6 GHz頻帶；同時，可以看到在5.06 GHz~5.87 GHz和7.08 GHz~8.21 GHz兩個頻帶內(nèi)駐波比VSWR＞2，即在這兩個頻帶內(nèi)具有陷波性能，對應(yīng)地，兩個陷波頻段分別覆蓋WLAN(5.15 GHz~5.85 GHz)和X波段下行通信信號(7.25 GHz~7.75 GHz)。

    圖4所示為主要頻點上天線實測增益值。從圖中可以清楚看到，在兩個陷波頻段的中頻增益值明顯下降，此時意味著天線可輻射功率或可接收電平都非常低，以此避開對其他通信系統(tǒng)的相互干擾。同時看到，天線在其他UWB頻段內(nèi)具有較高的輻射增益。

    圖5所示為主要頻點處天線增益實測方向圖。由圖可見天線在有效工作頻帶內(nèi)具有良好的全向輻射特點，即E面呈現(xiàn)“8”字形、H面360°全向方向圖。另外，也應(yīng)該注意到，隨著頻率升高，天線的方向圖形狀發(fā)生一定的畸變，特別當(dāng)頻率達到8.5 GHz時，水平面的全向性能變化較為劇烈。這樣的變化規(guī)律在所列的參考文獻[1]、[2]、[4]～[7]中也有表現(xiàn)，其原因是天線幾何結(jié)構(gòu)和尺寸固定，當(dāng)頻率升高時，天線的電尺寸增大，且當(dāng)電尺寸增大到一定程度后，使得天線輻射貼片上的電流出現(xiàn)零點，造成輻射方向圖的嚴重畸變。

3 天線工作性能分析

    為了更好地掌握本文所設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)工作性能，特別是天線的陷波性能，下面將進行必要的分析和說明。

    圖6和圖7分別表示貼片上的矩形窄縫和饋線上的U形窄縫長度變化對陷波性能的影響。由圖6可見，當(dāng)L_s1由14.3 mm增加到16.3 mm時，對應(yīng)的WLAN陷波頻段變化顯著，具體表現(xiàn)為頻率降低、陷波深度加深。原因在于縫隙長度決定其諧振頻率，長度越長，諧振頻率越低；同時通過觀察圖1發(fā)現(xiàn)，縫隙長度越長，對貼片上的分布電流影響更大，所以諧振也越強，造成陷波深度加深。類似地，圖7表明當(dāng)L_s2由4.5 mm增加到5.5 mm時，對應(yīng)的X波段下行通信陷波頻段變化顯著，L_s2增大頻率降低、陷波深度略有減弱。其原因也是因為U形縫隙臂長增加使縫隙整體長度增加，進而導(dǎo)致諧振頻率降低；另外，結(jié)合圖1容易知道，U形縫隙臂長增加，使得饋線到輻射貼片上的電流更加平緩過渡，所以造成陷波深度有所削弱。

    為了更好地掌握天線陷波機理，本文對所設(shè)計的天線在兩個陷波頻段的中頻分別計算得到天線表面電流，如圖8所示?？梢苑浅Ｇ逦乜吹?，在5.5 GHz和7.5 GHz時，天線電流分別集中矩形和U形窄縫附近，所以可以分別使天線在兩個頻段呈現(xiàn)出陷波特性。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計的雙陷波超寬帶微帶天線結(jié)構(gòu)簡單、容易制作，適用于小型化UWB無線通信系統(tǒng)。實測結(jié)果表明天線工作頻帶覆蓋3.1 GHz~10.6 GHz，并且在5.06 GHz~5.87 GHz和7.08 GHz~8.21 GHz兩個頻帶內(nèi)呈現(xiàn)良好的陷波工作特點，可以很好地避免同WLAN頻段(5.15 GHz~5.85 GHz)和X波段通信下行頻段(7.25 GHz~7.75 GHz)通信系統(tǒng)間的相互干擾。另外，本文還對天線的陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律和陷波機理進行了分析和說明。

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作者信息:

裴  蕾，葛文萍，熱依汗·白克圖爾，陳  娟

(新疆大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046)