雙陷波超寬帶微帶天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程詳解

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(diǎn)，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(shí)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(yán)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(qiáng)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(jìn)，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(jì)了各種陷波UWB天線結(jié)構(gòu)［1-2，4-7］。這些實(shí)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(shí)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(jì)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、容易實(shí)現(xiàn)，所以工程實(shí)踐中得到非常多的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(jì)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)εr=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Lf和Wf；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Wf決定饋電的特性阻抗，本設(shè)計(jì)中為50 Ω。金屬地板沿x和y方向大小分別為Wg=W和Lg；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(shí)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Ls1×Ws1，縫隙距離輻射貼片下邊沿為d1；U形窄縫兩臂長為Ls2、兩臂距離為Ds2、縫隙寬度為Ws2，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(shí)現(xiàn)陷波性能。