摘要：設(shè)計了一款微帶饋電的具有3．4／5．5 GHz雙阻帶特性的圓盤單極子天線。由于采用具有缺陷結(jié)構(gòu)的地板,，天線具有良好的阻抗特性,。在2．38～15 GHz的頻帶內(nèi)電壓駐波比VSWR≤2，可以同時覆蓋WLAN(2．4 GHz)和UWB(3．1～10．6 GHz),。同時引入雙矩形諧振槽,，實現(xiàn)在WiMAX(3．4 GHz)和WLAN(5．2／5．8 GHz)的雙阻帶。仿真結(jié)果和實驗結(jié)果匹配良好,，具有一定的實用價值,。
關(guān)鍵詞：超寬帶；雙阻帶,；單極子
超寬帶通信系統(tǒng)由于具有數(shù)據(jù)傳輸率高,、損耗低的特點，受到越來越多的關(guān)注,。自2002年,，美國聯(lián)邦通信委員會(US—FCC)批準，將3．1～10．6 GHz頻段作為超寬帶通信技術(shù)應(yīng)用以來,，國內(nèi)外學(xué)者對此進行了大量研究,。作為超寬帶通信系統(tǒng)的一個重要的前端組成部分，超寬帶天線的設(shè)計是一個基礎(chǔ)性的引人關(guān)注的課題,。在各類天線中,，印刷單極子天線以其體積小、易于共型集成的特點表現(xiàn)出良好的寬帶特性,。因此,，印刷單極天線在超寬帶通信系統(tǒng)(3．1～10．6 GHz)中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,，有許多其他窄帶系統(tǒng)也工作在這一頻段,，比如無線局域網(wǎng)(wLAN)IEEE802．11a和HIPERLAN／2LAN工作在5．2／5．8 GHz頻段，除此之外,，在許多國家,，工作在3．3～3．7 GHz的WiMAX系統(tǒng)也在超寬帶系統(tǒng)的頻段。因此,，為了避免這些系統(tǒng)的相互干擾,，需要在這些頻段產(chǎn)生陷波來排除干擾,，以增強系統(tǒng)的兼容性。在特定的頻帶內(nèi)產(chǎn)生阻帶以克服干擾的頻率陷波天線已經(jīng)被大量研究,，比如：在天線上采用對稱倒L型槽,，圓環(huán)形槽，H型槽以及縫隙型的SRR結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生陷波,。盡管如此,，大部分天線僅僅克服了WLAN系統(tǒng)的干擾。在文獻中第一次提到了雙阻帶超寬帶天線,，它可以克服3．4～3．48 GHz和5．4～5．98 GHz的頻段,。然而，由于阻帶帶寬較窄,，沒有完全克服WLAN和WiMAX頻段的干擾,。
為了解決上述問題，提出并設(shè)計了一款緊湊的印刷單極天線,，它可以同時克服WLAN和WiMAX頻段的干擾,。通過調(diào)節(jié)輻射貼片上雙矩形槽的尺寸，可以方便地獲得雙阻帶特性,。同時,，天線具有良好的阻抗匹配特性，可以同時覆蓋2．4～2．5 GHz和超寬帶頻段,。由于采用了微帶線饋電，天線易于集成和小型化,。利用Ansoft-HFSS對天線進行仿真,，并詳細分析了天線尺寸參數(shù)對天線性能的影響。
1 天線設(shè)計與結(jié)構(gòu)
天線結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,，尺寸為37 mm×42 mm×1．5mm,。
圓盤的半徑為R=10 mm。為了引入雙阻帶,，在圓盤輻射單元上蝕刻了雙同心矩形槽,，矩形槽的寬度T都是0．5 mm，如圖1(b)所示,。矩形槽的長度在很大程度上決定了阻帶的中心頻率,。外槽的尺寸為L1，L2和W1,，內(nèi)槽的尺寸為LL1,，LL2和W2。在內(nèi)矩形槽的兩臂上有兩個對稱枝節(jié),，其長度為Wg,。同時,，為了擴展阻帶帶寬，內(nèi)矩形槽延伸到了外矩形槽兩臂的間隙之間,。
微帶饋線寬度為2．6 mm,，特性阻抗50 Ω。微帶線與其他器件采用SMA連接器進行連結(jié),。采用缺陷地板結(jié)構(gòu)(DGS)可以很好地實現(xiàn)阻抗匹配以覆蓋2．4 GHz和UWB頻段,，輻射貼片單元與地板的間隙為0．3 mm。
利用商業(yè)仿真軟件Ansoft—HFSS對天線進行了仿真優(yōu)化,。優(yōu)化后的天線尺寸為L1=15 mm,，L2=2 mm，W1=3．5mm,，LL1=8 mm,，LL2=3 mm，W=2．6 mm,，Wg=1．4 mm,。天線設(shè)計在1．5 mm厚的FR4介質(zhì)板上，相對介電常數(shù)為4．4,。圖2是設(shè)計天線的實物圖,，如圖3所示，電壓駐波比(VSWR)的測量值與仿真值吻合良好,。
2 分析設(shè)計與結(jié)果
用基于有限元的電磁仿真軟件Ansoft—HFSS對天線進行仿真,，用安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的電壓駐波比。測量和仿真的電壓駐波比如圖3所示,?？梢钥闯觯瑴y量和仿真結(jié)果吻合良好,。阻抗帶寬(VSWR≤2)覆蓋2．3～15 GHz,，完全覆蓋了2．4～2．5 GHz和超寬帶頻段，并且在3．2～3．8 GHz和5．1～5．9 GHz的頻帶上具有良好的阻帶特性,。
設(shè)計中,，首先研究了如圖4所示的單極子天線，它采用矩形接地板,，具有良好的寬帶特性,，但是體積較大為50 mm×42mm。為了減小天線尺寸,，而保持其超寬帶特性,，采用缺陷地板結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖6所示的文獻中天線和采用缺陷地板結(jié)構(gòu)天線的駐波特性,，比較可以看出,，文獻中的天線具有較好的超寬帶特性,，但是采用缺陷地板結(jié)構(gòu)的天線具有更好的阻抗匹配，天線帶寬可以覆蓋2．4 GHz和整個超寬帶頻帶(3．1～10．6 GHz),，甚至可以達到15 GHz,。
為了獲得阻帶特性，在圓盤單極子天線中引入矩形槽,，槽的尺寸L1=15 mm,，L=2 mm，W1=3．5 mm,，天線的電壓駐波比隨頻率的變化情況如圖8所示,，可以看出天線在WiMAX頻段(3．4～3．7 GHz)具有較好的阻帶特性。為了避免WLAN頻段(5．2／5．8 GHz)的干擾,，需在超寬帶中引入雙阻帶,。因此，在圓盤單極子天線的矩形槽中引入第2個矩形槽,，其尺寸為LL1=8 mm,，LL2=3 mm，W1=2．6 mm,，Wg=1．4 mm,，并且將內(nèi)槽延伸到外槽兩臂的間隙之間如圖9所示。雙矩形槽圓盤單極子天線的駐波特性隨頻率的變化情況如圖10所示,，可以看出,，在2．3～15 GHz的頻段內(nèi)具有良好的駐波特性，并且在WiMAX(3．2～3．8 GHz)和WLAN(5．1～5．9 GHz)頻段具有阻帶特性,。
為了進一步研究天線的結(jié)構(gòu),，對天線參數(shù)進行了分析。阻帶特性主要由W1,，Wg，LL1,，W2決定,，各種不同的阻帶可以通過適當?shù)母淖冸p矩形槽的尺寸來獲得。圖11所示的天線輻射單元在不同頻率的電流分布,，可以看出,，第一(3．5 GHz)和第二(5．5 GHz)阻帶分別與外槽，內(nèi)槽的尺寸有關(guān)系,，即外槽改變了天線低頻的電流分布狀況,，形成低頻阻帶；而內(nèi)槽改變了天線高頻的電流分布,，形成高頻阻帶,。如圖12所示,，在其他參數(shù)不變時，隨著W1從2．5 mm增大到4．5 mm,，第一阻帶想低頻移動,。參數(shù)Wg，W2主要決定第二阻帶,，如圖13,，14所示W(wǎng)g和W2對天線性能的影響。在其他參數(shù)不變的情況下,，隨著Wg和W2的減小,，第二阻帶分別向低頻和高頻移動。圖15表明,，LL1對天線的第二阻帶的帶寬具有重要影響,。因此，雙矩形槽的尺寸對改變天線阻帶的位置和阻帶帶寬具有重要的意義,。通過改變雙矩形槽的尺寸可以方便地在不同的頻帶內(nèi)實現(xiàn)阻帶和改變阻帶帶寬,。
最后，研究了天線的遠場輻射方向圖,。圖16分別給出了天線在3 GHz,，6 GHz，9 GHz時的遠場增益方向圖,，表明設(shè)計的天線在H面(yoz面)具有全向輻射特性,，并且所有的方向圖變化相對較小。
3 結(jié)束語
設(shè)計并制作了一副緊湊的印刷圓盤單極子超寬帶天線,，它可以完全覆蓋2．4 GHz和超寬帶頻段,，并且在WiMAX(3．2～3．8 GHz)和W1AN(5．1～5．9 GHz)頻段具有雙阻帶特性。天線的駐波特性和遠場輻射方向圖表現(xiàn)出良好的特性,。仿真和測量結(jié)果具有較好的一致性,，吻合良好。因此,，所設(shè)計的天線在超寬帶通信系統(tǒng)中具有一定的實用價值,。