隨著室內(nèi)高速無(wú)線數(shù)據(jù)接入技術(shù)的發(fā)展,，要求無(wú)線通信系統(tǒng)具有更大的數(shù)據(jù)吞吐量,。特別是IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)提出分配3.1～10.6 GHz頻段給超寬帶使用后,，超寬帶通信系統(tǒng)越來(lái)越受到重視?？紤]到與以往天線的設(shè)計(jì)要求,，UWB天線不僅要求天線具有體積小、良好的輻射效率,、全向覆蓋特性,，同時(shí)應(yīng)避免和其他通信系統(tǒng)相互干擾，主要重疊的通訊頻段有WLAN（5.2～5.8 GHz）,，WIMAX（3.3～3.6 GHz）和c波段（3.7～4.2 GHz）雷達(dá)通信系統(tǒng),，因此能否實(shí)現(xiàn)小型化UWB天線及雙阻帶性能已成為當(dāng)今研究的重點(diǎn)。

微帶天線以其剖面薄,、體積小,、重量輕、可與載體表面相共形,、易集成,、成本低、易制作等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注,，常見(jiàn)的小型UWB天線主要包括印刷型單極子和寬縫隙天線,。從上述背景出發(fā)，本文設(shè)計(jì)了一種雙U縫隙的UWB天線,，帶寬2.97～12.75 GHz（VSWR<2）,，在滿足天線性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了雙阻帶功能565 MHz（3.35～4.00 GHz）和590 GHz（5.23～5.82 GHz）。在天線設(shè)計(jì)中,，地板采用了CPW饋電結(jié)構(gòu),，通過(guò)調(diào)節(jié)饋線寬度W3可以達(dá)到高頻匹配，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)天線的小型化,；輻射板采用了圓形輻射板CDM,，通過(guò)調(diào)節(jié)它的半徑可以實(shí)現(xiàn)低頻段的阻抗匹配；輻射板上雙U縫隙的作用是產(chǎn)生雙阻帶,，避免與其他通訊系統(tǒng)產(chǎn)生相互干擾,。

在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn),，獲得天線的具體結(jié)果參數(shù)。通過(guò)實(shí)物測(cè)量,，顯示天線性能基本得到滿足,，是一種具有實(shí)用意義的UWB天線。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線的具體尺寸結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,。圓形輻射板、微帶饋線和地板印制在FR4介質(zhì)板的同一面,，F(xiàn)R4介質(zhì)板厚度h=1.0 mm,，相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4，尺寸為20.0 mm×27.0 mm×1.0 mm,。饋線寬度設(shè)計(jì)為W3=5 mm與50 Ω端口進(jìn)行匹配,。其中，天線尺寸為：W=20 mm,，L=27 mm,，R=10 mm，W1=8 mm,，W2=3.5 mm,，W3=5.0 mm，L1=10mm,，L1=10.2 mm,，L2=7.8 mm，s1=0.8 mm,，s2=1 mm,，s3=0.6 mm。


圖1 天線的具體尺寸結(jié)構(gòu)示意圖

（1）地板對(duì)天線駐波的影響,。

基于圓形輻射板超寬帶天線理論已被廣泛引用,。文中超寬帶天線的輻射板采用圓形輻射板，在天線設(shè)計(jì)中采用了新型復(fù)合地板,，它由兩個(gè)半橢圓組成通,，通過(guò)調(diào)節(jié)橢圓主半徑和長(zhǎng)短軸比，可以實(shí)現(xiàn)高頻段的阻抗匹配（VSWR<2）,。

在天線設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)天線的小型化,，可以通過(guò)調(diào)節(jié)地板的參數(shù)使得天線的駐波比特性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)天線的寬度W=20 mm情況下,，仿真結(jié)果中橢圓的主半徑為4.9mm,，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)了小型化天線的設(shè)計(jì),。


圖2 駐波比隨W1變化的特性

（2）U型縫隙對(duì)天線駐波的影響,。

通過(guò)在饋線和輻射板上設(shè)計(jì)雙U型縫隙實(shí)現(xiàn)了雙陷波特性,。圖3所示給出了設(shè)計(jì)天線開(kāi)鑿對(duì)駐波比的影響。從圖中可以看出,，該天線的帶寬為2.97～12.75 GHz,，已經(jīng)超過(guò)了超寬帶所給定的帶寬3.0～10.6 GHz。腐蝕在饋線和輻射板上的U型縫隙寬度分別設(shè)為S1,，S2和S3,，大小直接影響阻帶帶寬。與文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)比較,，它們的縫隙都是開(kāi)在輻射板上,，這種設(shè)計(jì)可以在輻射板上激勵(lì)新的電流起到諧振作用。本文開(kāi)了兩個(gè)U型縫隙,，可以產(chǎn)生雙諧振作用,。


圖3 開(kāi)鑿前后天線的駐波比特性

縫隙2開(kāi)在輻射板和饋線的連接部分，它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于不僅可以產(chǎn)生諧振,，而且對(duì)饋線電流到輻射板電流起到匹配作用,。當(dāng)改變縫隙2的位置時(shí)，可以減小饋線和輻射板之間的反射,，調(diào)節(jié)駐波比的大小,。

仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)中心諧振頻率被縫隙的長(zhǎng)度L1，L2直接影響,，長(zhǎng)度變短時(shí),，中心頻率變大，否則相反,。通過(guò)分析知道,，縫隙的本質(zhì)作用相當(dāng)于1／2波長(zhǎng)諧振器。在這個(gè)基礎(chǔ)上,，通過(guò)仿真優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了所需阻抗特性如圖4所示,。加工時(shí)，寬度<0.1 mm的縫隙不易加工,，所以仿真優(yōu)化中,，S1，S2和S3最終取值分別是0.8 mm,，1 mm和0.6 mm以達(dá)到整體優(yōu)化的折衷,。


圖4 駐波比隨L1,、L2變化的特性

2 結(jié)果分析

天線實(shí)物如圖1所示,。天線的仿真使用了Ansoft公司的高頻仿真軟件HFSS11，天線的駐波比測(cè)量使用的是安捷倫E8363B網(wǎng)絡(luò)分析儀。駐波比的仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的比較如圖5所示,。測(cè)量結(jié)果表明整個(gè)天線的帶寬為2.97～12.75 GHz（VSWR<2）,，滿足UWB的工作帶寬要求。并且實(shí)現(xiàn)了雙阻帶特性,，兩個(gè)阻帶帶寬分別為3.35～4.00 GHz和5.23～5.82 GHz,。仿真和測(cè)量結(jié)果在低頻較吻合，但高頻段測(cè)量時(shí)的駐波比結(jié)果稍微大于仿真結(jié)果,，兩個(gè)阻帶同時(shí)有輕微右移,，這是因加工精度和介質(zhì)材料的介質(zhì)常數(shù)不均勻所引起的，這種誤差在應(yīng)用中是允許的,。



圖5 駐波比的仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的比較

為考察天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)的輻射特性,，測(cè)量的工作頻率為3 GHz、6 GHz和9 GHz時(shí)的天線E面和H面的輻射方向圖,，具體如圖6所示。天線的H面輻射方向圖具有良好全向特性,，不圓度<8 dB,。整個(gè)頻段內(nèi)其輻射方向圖的形狀能保持穩(wěn)定而且具有較好的不圓度，滿足超寬帶通信系統(tǒng)對(duì)天線輻射特性的要求,。



圖6 天線在3 GHz、6 GHz和9 GHz時(shí)的方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型小型化UWB微帶縫隙天線,。陷波特性是通過(guò)在饋線和輻射板上開(kāi)兩個(gè)U型縫隙,，引入半波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)而獲得的。通過(guò)電磁仿真軟件HFSS11仿真計(jì)算,，確定了天線的幾何尺寸,。在微波暗室中對(duì)天線實(shí)物樣品的輸入端反射特性、輻射方向圖等進(jìn)行測(cè)量,。研究結(jié)果顯示,，天線的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的一致性，該天線在2.97～12.75 GHz的頻段范圍內(nèi)具有良好的阻抗特性,、輻射方向特性,，在3.35～4.00 GHz和5.23～5.82 GHz范圍內(nèi)具有陷波特性，降低了UWB天線和其他通信系統(tǒng)之間干擾的可能,，因此是一種性能較好,、具有使用價(jià)值的小型化超寬帶天線。