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(hào)(7.25 GHz~7.75 GHz)^[2]。這些通信系統(tǒng)和UWB通信系統(tǒng)之間會(huì)存在一定的相互干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(jì)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(gè)矩形槽，中間槽大小為b×c、邊沿兩個(gè)槽大小相同大小為a×c，三個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)陷波性能。

2 天線工作性能

    利用Ansys HFSS軟件對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)，天線工作頻帶覆蓋3.1 GHz~10.6 GHz，且對(duì)WLAN和X波段下行通信信號(hào)具有較大的陷波性能。圖2所示為天線加工實(shí)物和在微波暗室測(cè)試圖。

    從圖2可見，本文設(shè)計(jì)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(shí)看到，因?yàn)樘炀€尺寸小，所以在實(shí)際測(cè)試過程中需要充分考慮好天線安裝問題。因?yàn)闇y(cè)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(yuǎn)離金屬支撐體的位置，而且將外接測(cè)試儀器的同軸線纜在不影響測(cè)試前提下進(jìn)行必要的固定和隱藏處理，以減小對(duì)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(shí)際測(cè)試和軟件仿真曲線在工作頻帶內(nèi)吻合較好，實(shí)測(cè)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(shí)，可以看到在5.06 GHz~5.87 GHz和7.08 GHz~8.21 GHz兩個(gè)頻帶內(nèi)駐波比VSWR＞2，即在這兩個(gè)頻帶內(nèi)具有陷波性能，對(duì)應(yīng)地，兩個(gè)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(hào)(7.25 GHz~7.75 GHz)。

    圖4所示為主要頻點(diǎn)上天線實(shí)測(cè)增益值。從圖中可以清楚看到，在兩個(gè)陷波頻段的中頻增益值明顯下降，此時(shí)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(duì)其他通信系統(tǒng)的相互干擾。同時(shí)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(diǎn)處天線增益實(shí)測(cè)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(diǎn)，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(dá)到8.5 GHz時(shí)，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(xiàn)[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(shí)，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(diǎn)，造成輻射方向圖的嚴(yán)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(jì)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(jìn)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(duì)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(shí)，對(duì)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(shí)通過觀察圖1發(fā)現(xiàn)，縫隙長度越長，對(duì)貼片上的分布電流影響更大，所以諧振也越強(qiáng)，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(shí)，對(duì)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?yàn)閁形縫隙臂長增加使縫隙整體長度增加，進(jìn)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(jī)理，本文對(duì)所設(shè)計(jì)的天線在兩個(gè)陷波頻段的中頻分別計(jì)算得到天線表面電流，如圖8所示。可以非常清晰地看到，在5.5 GHz和7.5 GHz時(shí)，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(gè)頻段呈現(xiàn)出陷波特性。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)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(gè)頻帶內(nèi)呈現(xiàn)良好的陷波工作特點(diǎn)，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(duì)天線的陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律和陷波機(jī)理進(jìn)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)