0 引言

    微帶天線(xiàn)具有體積小、重量輕,、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、易加工等優(yōu)點(diǎn)，所以在現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中獲得越來(lái)越多的應(yīng)用,。美國(guó)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)，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(lái)波功率,。

    隨著無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備水平的不斷提高,，人們從對(duì)超寬帶天線(xiàn)的研究^[3]，轉(zhuǎn)向?qū)Τ瑢拵炀€(xiàn)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(guó)內(nèi)外的學(xué)者和天線(xiàn)工程師設(shè)計(jì)了各種陷波UWB天線(xiàn)結(jié)構(gòu)^[1-2,，4-7]。這些實(shí)現(xiàn)陷波特性的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)一般采用在輻射貼片或饋線(xiàn)以及地板上開(kāi)縫,，或者在饋線(xiàn)和輻射貼片的附近增加導(dǎo)體結(jié)構(gòu)來(lái)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(xiàn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(xiàn)(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(xiàn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)

    圖1為本文設(shè)計(jì)的雙陷波超寬帶微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu),。天線(xiàn)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(zhǎng)為S，微帶線(xiàn)饋線(xiàn)長(zhǎng),、寬分別為L(zhǎng)_f和W_f,；天線(xiàn)工作頻率主要由五邊形的尺寸決定，尺寸越大,，天線(xiàn)工作頻率越低,；饋線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)上嵌入矩形和U形窄縫,；矩形窄縫大小為L(zhǎng)_s1×W_s1,，縫隙距離輻射貼片下邊沿為d₁；U形窄縫兩臂長(zhǎng)為L(zhǎng)_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(guò)調(diào)節(jié)兩條縫隙的長(zhǎng)度,，容易在需要頻段實(shí)現(xiàn)陷波性能。

2 天線(xiàn)工作性能

    利用Ansys HFSS軟件對(duì)天線(xiàn)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(xiàn)其他主要幾何參數(shù)取值如表1所示時(shí)，天線(xiàn)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(xiàn)加工實(shí)物和在微波暗室測(cè)試圖。

    從圖2可見(jiàn),，本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)和饋電結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,、尺寸小，非常適合用于小型化UWB無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中,。同時(shí)看到,，因?yàn)樘炀€(xiàn)尺寸小，所以在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中需要充分考慮好天線(xiàn)安裝問(wèn)題,。因?yàn)闇y(cè)試中的支撐體為金屬結(jié)構(gòu),，所以將天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)輻射方向圖的影響,。

    圖3所示為天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)可輻射功率或可接收電平都非常低，以此避開(kāi)對(duì)其他通信系統(tǒng)的相互干擾,。同時(shí)看到,，天線(xiàn)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(xiàn)增益實(shí)測(cè)方向圖。由圖可見(jiàn)天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)和尺寸固定,，當(dāng)頻率升高時(shí),，天線(xiàn)的電尺寸增大，且當(dāng)電尺寸增大到一定程度后,，使得天線(xiàn)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(xiàn)工作性能分析

    為了更好地掌握本文所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)工作性能,，特別是天線(xiàn)的陷波性能,，下面將進(jìn)行必要的分析和說(shuō)明。

    圖6和圖7分別表示貼片上的矩形窄縫和饋線(xiàn)上的U形窄縫長(zhǎng)度變化對(duì)陷波性能的影響,。由圖6可見(jiàn),，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(zhǎng)度決定其諧振頻率,，長(zhǎng)度越長(zhǎng),，諧振頻率越低；同時(shí)通過(guò)觀(guān)察圖1發(fā)現(xiàn),，縫隙長(zhǎng)度越長(zhǎng),，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(lèi)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(zhǎng)增加使縫隙整體長(zhǎng)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(zhǎng)增加，使得饋線(xiàn)到輻射貼片上的電流更加平緩過(guò)渡,，所以造成陷波深度有所削弱,。

    為了更好地掌握天線(xiàn)陷波機(jī)理，本文對(duì)所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)在兩個(gè)陷波頻段的中頻分別計(jì)算得到天線(xiàn)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(xiàn)電流分別集中矩形和U形窄縫附近，所以可以分別使天線(xiàn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、容易制作，適用于小型化UWB無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng),。實(shí)測(cè)結(jié)果表明天線(xiàn)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(xiàn)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(shuō)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)