双陷波超宽带微带天线的结构设计流程详解

0 引言

微带天线具有体积小、重量轻、结构简单、易加工等优点，所以在现代无线通信系统中获得越来越多的应用。美国联邦通信委员（Federal Communications Commission，FCC）在2002年宣布将3.1 GHz～10.6 GHz频段划归为超宽带（ultra-wideband， UWB）的民用频段，使得UWB通信技术在科学研究和工程实践中都获得了大量的关注和发展［1］。但是在UWB频谱范围内还存在其他通信系统的工作频段，比如无线局域网（5.15 GHz~5.85 GHz）和X波段下行通信信号（7.25 GHz~7.75 GHz）［2］。这些通信系统和UWB通信系统之间会存在一定的相互干扰，严重时会影响系统的通信质量。因此，为了避免UWB通信系统与其他通信系统的潜在干扰，增强它们之间的兼容性，工程上通常在UWB通信系统中使用具有陷波结构的UWB天线，抑制UWB通信系统在对应陷波频段的辐射功率或接收到的来波功率。

随着无线通信设备水平的不断提高，人们从对超宽带天线的研究［3］，转向对超宽带天线加入陷波结构的改进，同时陷波频段的要求也不尽相同，使得国内外的学者和天线工程师设计了各种陷波UWB天线结构［1-2，4-7］。这些实现陷波特性的天线结构一般采用在辐射贴片或馈线以及地板上开缝，或者在馈线和辐射贴片的附近增加导体结构来实现，其目的都是在需要陷波频段引起额外的谐振频率。这些天线的设计结构简单、成本低廉、容易实现，所以工程实践中得到非常多的应用。本文设计一种双陷波超宽带微带天线（DNS-UWB-MSA）结构，采用五边形贴片作为辐射结构，结合DGS技术和阻抗渐变手段展宽工作频带，实现UWB工作；分别在辐射贴片和馈线上嵌入矩形和U形窄缝实现对WLAN和X波段下行通信频段的陷波。

1 天线结构

图1为本文设计的双陷波超宽带微带天线结构。天线介质板采用相对介电常数εr=4.4、损耗角正切tanδ=0.02、厚度h=2 mm的Fr4，且沿x和y方向横向尺寸分别为W和L。五边形辐射贴片边长为S，微带线馈线长、宽分别为Lf和Wf；天线工作频率主要由五边形的尺寸决定，尺寸越大，天线工作频率越低；馈线宽度Wf决定馈电的特性阻抗，本设计中为50 Ω。金属地板沿x和y方向大小分别为Wg=W和Lg；引入DGS技术，在地板上刻蚀三个矩形槽，中间槽大小为b×c、边沿两个槽大小相同大小为a×c，三个矩形槽与地板边缘的距离为k。在馈线和贴片之间，增加一个圆弧形阻抗变换结构，便于调节阻抗匹配和工作频率，圆弧半径为r。为了实现陷波性能，分别在辐射贴片和馈线上嵌入矩形和U形窄缝；矩形窄缝大小为Ls1×Ws1，缝隙距离辐射贴片下边沿为d1；U形窄缝两臂长为Ls2、两臂距离为Ds2、缝隙宽度为Ws2，缝隙距离介质板下底边为d1；通过调节两条缝隙的长度，容易在需要频段实现陷波性能。

2 天线工作性能

利用Ansys HFSS软件对天线结构进行建模、仿真和优化，最终确定介质板大小为32 mm×23 mm且天线其他主要几何参数取值如表1所示时，天线工作频带覆盖3.1 GHz~10.6 GHz，且对WLAN和X波段下行通信信号具有较大的陷波性能。图2所示为天线加工实物和在微波暗室测试图。

从图2可见，本文设计的天线结构和馈电结构非常简单、尺寸小，非常适合用于小型化UWB无线通信系统中。同时看到，因为天线尺寸小，所以在实际测试过程中需要充分考虑好天线安装问题。因为测试中的支撑体为金属结构，所以将天线利用泡沫材料固定在远离金属支撑体的位置，而且将外接测试仪器的同轴线缆在不影响测试前提下进行必要的固定和隐藏处理，以减小对天线辐射方向图的影响。

图3所示为天线电压驻波比。从图中可以看到实际测试和软件仿真曲线在工作频带内吻合较好，实测VSWR≤2的整体频率范围是3.08 GHz~10.64 GHz，覆盖3.1 GHz~10.6 GHz频带；同时，可以看到在5.06 GHz~5.87 GHz和7.08 GHz~8.21 GHz两个频带内驻波比VSWR＞2，即在这两个频带内具有陷波性能，对应地，两个陷波频段分别覆盖WLAN（5.15 GHz~5.85 GHz）和X波段下行通信信号（7.25 GHz~7.75 GHz）。

图4所示为主要频点上天线实测增益值。从图中可以清楚看到，在两个陷波频段的中频增益值明显下降，此时意味着天线可辐射功率或可接收电平都非常低，以此避开对其他通信系统的相互干扰。同时看到，天线在其他UWB频段内具有较高的辐射增益。

图5所示为主要频点处天线增益实测方向图。由图可见天线在有效工作频带内具有良好的全向辐射特点，即E面呈现“8”字形、H面360°全向方向图。另外，也应该注意到，随着频率升高，天线的方向图形状发生一定的畸变，特别当频率达到8.5 GHz时，水平面的全向性能变化较为剧烈。这样的变化规律在所列的参考文献［1］、［2］、［4］～［7］中也有表现，其原因是天线几何结构和尺寸固定，当频率升高时，天线的电尺寸增大，且当电尺寸增大到一定程度后，使得天线辐射贴片上的电流出现零点，造成辐射方向图的严重畸变。

3 天线工作性能分析

为了更好地掌握本文所设计的天线结构工作性能，特别是天线的陷波性能，下面将进行必要的分析和说明。

图6和图7分别表示贴片上的矩形窄缝和馈线上的U形窄缝长度变化对陷波性能的影响。由图6可见，当Ls1由14.3 mm增加到16.3 mm时，对应的WLAN陷波频段变化显著，具体表现为频率降低、陷波深度加深。原因在于缝隙长度决定其谐振频率，长度越长，谐振频率越低；同时通过观察图1发现，缝隙长度越长，对贴片上的分布电流影响更大，所以谐振也越强，造成陷波深度加深。类似地，图7表明当Ls2由4.5 mm增加到5.5 mm时，对应的X波段下行通信陷波频段变化显著，Ls2增大频率降低、陷波深度略有减弱。其原因也是因为U形缝隙臂长增加使缝隙整体长度增加，进而导致谐振频率降低；另外，结合图1容易知道，U形缝隙臂长增加，使得馈线到辐射贴片上的电流更加平缓过渡，所以造成陷波深度有所削弱。

为了更好地掌握天线陷波机理，本文对所设计的天线在两个陷波频段的中频分别计算得到天线表面电流，如图8所示。可以非常清晰地看到，在5.5 GHz和7.5 GHz时，天线电流分别集中矩形和U形窄缝附近，所以可以分别使天线在两个频段呈现出陷波特性。

4 结论

本文设计的双陷波超宽带微带天线结构简单、容易制作，适用于小型化UWB无线通信系统。实测结果表明天线工作频带覆盖3.1 GHz~10.6 GHz，并且在5.06 GHz~5.87 GHz和7.08 GHz~8.21 GHz两个频带内呈现良好的陷波工作特点，可以很好地避免同WLAN频段（5.15 GHz~5.85 GHz）和X波段通信下行频段（7.25 GHz~7.75 GHz）通信系统间的相互干扰。另外，本文还对天线的陷波结构参数变化规律和陷波机理进行了分析和说明。

参考文献

［1］ VALIZADE A，GHOBADI C，NOURINIA J，et al.A novel design of reconfigurable slot antenna with switchable band notch and multi-resonance functions for UWB applications［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11：1166-1169.

［2］ 吴玲，夏应清，李蕾，等。一种新型四陷波超宽带天线的设计［J］。华中师范大学学报（自然科学版），2017，51（5）：596-599.

［3］ 胡少文，吴毅强，罗斌，等。一种新型的超宽带天线的研究［J］。电子技术应用，2013，39（1）：90-92.

［4］ 姜兆能，李晓阳，瞿晨，等。一种新型八边形可控双陷波天线的分析与设计［J］。合肥工业大学学报（自然科学版），2017，40（8）：1074-1076.

［5］ SIDDIQUI J Y，SAHA C，ANTAR Y M M.Compact dual-SRR-loaded UWB monopole antenna with dual frequency and wideband notch characteristics［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2015，14：100-103.

［6］ WANG X C，WANG L M，ZHOW L F.A compact CPW-Fed antenna with dual band-notched characteristics for UWB applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2014，56（5）：1047-1049.

［7］ BAKARIYA P S，SARKAR M.Triple band notch UWB printed monopole antenna with enhanced bandwidth［J］.AEU-International Journal of Electronics and Communications，2015，69（1）：26-30.