超寬帶天線的原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

近年來，隨著無線通訊產(chǎn)品的普及，超寬帶技術(shù)的發(fā)展，人們對天線的帶寬提出了越來越高的要求。自2002年，聯(lián)邦通訊委員會（FCC）通過決議允許把3．1-10．6 GHz頻段應用于商業(yè)領(lǐng)域，具有高數(shù)據(jù)傳輸率、低成本、低功耗和抗干擾能力強的UWB通信系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。應用于UWB通信系統(tǒng)終端的天線必須具有如下特點：如線性的相位響應，全向的輻射方向圖，平穩(wěn)的增益。因此，超寬帶天線的設(shè)計成為了UWB系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一。平面印制天線，如矩形，圓形，橢圓形，蝶形單極子，偶極子等，具有寬頻帶、低色散、低損耗、低剖面、重量輕、易于制作、價格低廉等優(yōu)點，已廣泛應用于UWB通信系統(tǒng)。而采用CPW饋電的平面印制天線具有易于和有源、無源器件的串并連接，易于MMIC的集成化，有利于阻抗匹配和提高增益。然而這個頻段包括了無線局域網(wǎng)（WLAN）5．2 GHz和5．8 GHz的工作頻段，為了避免與無線局域網(wǎng)之間的干擾，就需要具有在5～6 GHz的頻帶內(nèi)加入帶阻特性。因此，具有帶阻特性的UWB天線受到了廣泛的關(guān)注研究。

文中提出了一種結(jié)構(gòu)簡單的，新型共面波導饋電的具有帶阻特性的平面單極子超寬帶天線。該天線是在輻射單元上開矩形寬縫隙，然后加入一個矩形微帶調(diào)諧支節(jié)，從而獲得良好的帶阻特性。通過仿真，研究了天線的工作特性，結(jié)果表明，該天線的工作頻帶為2．49～14．53 GHz，其中5～6 GHz頻帶內(nèi)具有很好的帶阻特性。同時在整個工作頻帶內(nèi)具有良好的全向輻射方向圖，因而具有一定的使用價值。

1 天線原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，天線制作在相對介電常數(shù)為

1．1 天線初始結(jié)構(gòu)的計算

對于單極微帶天線，可利用圓柱體近似法計算出低點的諧振頻率，即VSWR最先2的頻率點。文中是通過正方形輻射貼片的等效轉(zhuǎn)換，最終推導出低點諧振頻率與半圓形輻射貼片半徑的關(guān)系式，即

可得

一般地L取為

參數(shù)F記為

由式（3），式（4）可得

所以低點的頻率fL可以寫成

通過面積等效原理并假設(shè)W=L，則得到

其中fL的單位是GHz；L，R，r的單位是mm。利用UWB通信系統(tǒng)的低點諧振頻率fL=3．1 GHz，可以計算出單極子天線的初始半徑R=15．8 mm。該半徑用于HFSS建模仿真，隨后可以通過改變半徑來獲得較大的帶寬和較高的增益。

1．2 天線阻帶特性的設(shè)計

由于貼片電流主要集中在靠近接地板的下半部分，為了獲得帶阻特性，通過仿真軟件參數(shù)分析優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，在距離輻射貼片底邊1 mm處開寬矩形縫隙并且加入調(diào)諧支節(jié)，調(diào)諧支節(jié)與輻射單元周圍的間距為0．5 mm，并通過寬度為1 mm的微帶線相連接。矩形調(diào)諧支節(jié)的長度為Ls，寬度為Ws。其基本原理就是在天線結(jié)構(gòu)里引入需要抑制頻率的“LC諧振回路”，通過改變微帶支節(jié)的長度和寬度，相當于改變了構(gòu)成回路的LC值，從而影響了需要抑制的中心頻率和相應的阻帶頻帶寬度。文中通過軟件仿真，驗證了這種結(jié)構(gòu)的合理性，即相當于引入了相應頻率上的帶阻濾波器，使得該中心頻率上天線的阻抗特性變差。

2 天線優(yōu)化與參數(shù)分析

利用電磁仿真軟件HFSS對天線的性能進行了分析，從而確定天線的基本尺寸。為了達到天線結(jié)構(gòu)的小型化和超寬帶特性，通過仿真優(yōu)化，最終確定的天線基本尺寸為：天線總體大小W×L=50×35 mm2，接地板下邊寬度Wmax=22．67 mm，接地板上邊寬度Wmin=3 mm，接地板高度Lg=16 mm，輻射貼片與接地板上邊間距s=0．8 mm。

2．1 天線工作頻帶的分析

為了抑制WLAN系統(tǒng)的干擾，通過在輻射金屬片上加入矩形調(diào)諧支節(jié)，從而使天線具有陷波特性。由于輻射單元的電流主要沿著貼片邊緣分布，而接地板的電流則集中分布在接地板的上邊緣，所以在距離輻射貼片底邊1 mm處開寬矩形縫隙，并加入調(diào)諧支節(jié)。天線回波損耗隨頻率變化的仿真結(jié)果，如圖2所示，可以看出，天線在2．49～14．53 GHz范圍內(nèi)回波損耗S11≤-10 dB，但在4．9～5．92 GHz頻段時天線回波損耗S11》－10 dB，這表明該天線具有帶阻特性，從而減少了系統(tǒng)間的干擾。

文中對影響天線性能的主要參數(shù)進行了分析研究，在保持其它參數(shù)不變的情況下，分別改變調(diào)諧支節(jié)的長度和寬度使回波損耗產(chǎn)生不同的變化。圖3所示為回波損耗隨調(diào)諧支節(jié)長度變化的曲線圖，可以看出當長度逐漸增加時阻帶的中心頻率會向頻率低端移動，而阻帶頻率寬度在Ls=1 mm，2 mm時基本不變，如進一步增加支節(jié)長度則阻帶帶寬顯著增加。

從圖3中還可以看出，調(diào)諧支節(jié)長度對總體工作頻帶的高端頻率的影響，隨著長度的增加，高端頻率有所下降，帶寬有所減小。天線的輸入端回波損耗隨調(diào)諧支節(jié)寬度的變化曲線，如圖4所示，隨著調(diào)諧支節(jié)寬度的增大，阻帶的中心頻率逐漸減小，阻帶帶寬也明顯加寬而對總體的工作頻帶幾乎沒有影響。這主要是因為寬度的改變并沒有顯著改變輻射貼片的電流流向。由此可見，可以通過優(yōu)化調(diào)諧支節(jié)的長度和寬度來達到滿足要求的阻帶帶寬范圍。

2．2 天線輻射方向圖

由于超寬帶通信技術(shù)的實際使用，要求天線在一個平面上具有全向的輻射特性，阻抗帶寬并不一定就是方向圖帶寬。所以，文中對天線的輻射方向圖進行了仿真分析。圖5給出了天線在f1=3．92 GHz，f2=6．83 GHz，f3=9．56 GHz的E面，H面的輻射方向圖。由圖可以看出，由于調(diào)諧支節(jié)的加入，在高頻端E面的方向圖有所畸變，但在在整個工作頻帶內(nèi)還是比較穩(wěn)定的。而H面方向圖在要求的3．1～10．6 GHz頻段內(nèi)幾乎是全向性的，并且?guī)缀鯖]有出現(xiàn)旁瓣，結(jié)果表明該天線在超寬帶通信的工作頻帶內(nèi)具有較穩(wěn)定的方向圖。

3 結(jié)束語

文中提出了一種新型CPW饋電，具有帶阻特性的UWB天線，通過在貼片上開矩形寬縫隙，然后加入矩形調(diào)諧支節(jié)，成功抑制了與WLAN系統(tǒng)的電磁干擾。天線優(yōu)化后的工作頻帶寬度為2．49～14．53 GHz，在5 GHz附近形成了4．9～5．92 GHz的阻帶特性，并且在整個工作頻帶內(nèi)具有較穩(wěn)定的全向輻射方向圖。天線具有平面印制結(jié)構(gòu)，低剖面，尺寸小，易于與有源無源電路集成等優(yōu)點，因此是一種性能較好，具有一定的使用價值的超寬帶天線。