一种新型小型化的双陷波超宽带天线的设计

1、    一种新型小型化的双陷波超宽带天线的设计随着室内高速无线数据接入技术的发展，要求无线通信系统具有更大的数据吞吐量。特别是IEEE802.15.3a标准提出分配3.110.6 GHz频段给超宽带使用后，超宽带通信系统越来越受到重视。考虑到与以往天线的设计要求，UWB天线不仅要求天线具有体积小、良好的辐射效率、全向覆盖特性，同时应避免和其他通信系统相互干扰，主要重叠的通讯频段有WLAN（5.25.8 GHz），WIMAX（3.33.6 GHz）和c波段（3.74.2 GHz）雷达通信系统，因此能否     随着室

2、内高速无线数据接入技术的发展，要求无线通信系统具有更大的数据吞吐量。特别是IEEE802.15.3a标准提出分配3.110.6 GHz频段给超宽带使用后，超宽带通信系统越来越受到重视。考虑到与以往天线的设计要求，UWB天线不仅要求天线具有体积小、良好的辐射效率、全向覆盖特性，同时应避免和其他通信系统相互干扰，主要重叠的通讯频段有WLAN（5.25.8 GHz），WIMAX（3.33.6 GHz）和c波段（3.74.2 GHz）雷达通信系统，因此能否实现小型化UWB天线及双阻带性能已成为当今研究的重点。微带天线以其剖面薄、体积小、重量轻、可与载体表面相共形、易集成、成本低、易制作等优点备受关注，

3、常见的小型UWB天线主要包括印刷型单极子和宽缝隙天线。从上述背景出发，本文设计了一种双U缝隙的UWB天线，带宽2.9712.75 GHz（VSWR<2），在满足天线性能的基础上实现了双阻带功能565 MHz（3.354.00 GHz）和590 GHz（5.235.82 GHz）。在天线设计中，地板采用了CPW馈电结构，通过调节馈线宽度W3可以达到高频匹配，实现设计天线的小型化；辐射板采用了圆形辐射板CDM，通过调节它的半径可以实现低频段的阻抗匹配；辐射板上双U缝隙的作用是产生双阻带，避免与其他通讯系统产生相互干扰。在经验的基础上进行了大量的仿真实验，获得天线的具体结果参数。通过实物测量，

4、显示天线性能基本得到满足，是一种具有实用意义的UWB天线。1 天线结构设计天线的具体尺寸结构示意图如图1所示。圆形辐射板、微带馈线和地板印制在FR4介质板的同一面，FR4介质板厚度h=1.0 mm，相对介电常数r=4.4，尺寸为20.0 mm×27.0 mm×1.0 mm。馈线宽度设计为W3=5 mm与50 端口进行匹配。其中，天线尺寸为：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。图1 天线的具体尺寸

5、结构示意图（1）地板对天线驻波的影响。基于圆形辐射板超宽带天线理论已被广泛引用。文中超宽带天线的辐射板采用圆形辐射板，在天线设计中采用了新型复合地板，它由两个半椭圆组成通，通过调节椭圆主半径和长短轴比，可以实现高频段的阻抗匹配（VSWR<2）。在天线设计中为了实现天线的小型化，可以通过调节地板的参数使得天线的驻波比特性达到设计要求。设计天线的宽度W=20 mm情况下，仿真结果中椭圆的主半径为4.9mm，如图2所示，实现了小型化天线的设计。图2 驻波比随W1变化的特性（2）U型缝隙对天线驻波的影响。通过在馈线和辐射板上设计双U型缝隙实现了双陷波特性。图3所示给出了设计天线开凿对驻波比的影响

6、。从图中可以看出，该天线的带宽为2.9712.75 GHz，已经超过了超宽带所给定的带宽3.010.6 GHz。腐蚀在馈线和辐射板上的U型缝隙宽度分别设为S1，S2和S3，大小直接影响阻带带宽。与文献的设计比较，它们的缝隙都是开在辐射板上，这种设计可以在辐射板上激励新的电流起到谐振作用。本文开了两个U型缝隙，可以产生双谐振作用。图3 开凿前后天线的驻波比特性缝隙2开在辐射板和馈线的连接部分，它的设计特点在于不仅可以产生谐振，而且对馈线电流到辐射板电流起到匹配作用。当改变缝隙2的位置时，可以减小馈线和辐射板之间的反射，调节驻波比的大小。仿真过程中发现中心谐振频率被缝隙的长度L1，L2直接影响，长

7、度变短时，中心频率变大，否则相反。通过分析知道，缝隙的本质作用相当于12波长谐振器。在这个基础上，通过仿真优化实现了所需阻抗特性如图4所示。加工时，宽度<0.1 mm的缝隙不易加工，所以仿真优化中，S1，S2和S3最终取值分别是0.8 mm，1 mm和0.6 mm以达到整体优化的折衷。图4 驻波比随L1、L2变化的特性2 结果分析天线实物如图1所示。天线的仿真使用了Ansoft公司的高频仿真软件HFSS11，天线的驻波比测量使用的是安捷伦E8363B网络分析仪。驻波比的仿真结果与测量结果的比较如图5所示。测量结果表明整个天线的带宽为2.9712.75 GHz（VSWR<2），满足U

8、WB的工作带宽要求。并且实现了双阻带特性，两个阻带带宽分别为3.354.00 GHz和5.235.82 GHz。仿真和测量结果在低频较吻合，但高频段测量时的驻波比结果稍微大于仿真结果，两个阻带同时有轻微右移，这是因加工精度和介质材料的介质常数不均匀所引起的，这种误差在应用中是允许的。图5 驻波比的仿真结果与测量结果的比较为考察天线在整个工作频段内的辐射特性，测量的工作频率为3 GHz、6 GHz和9 GHz时的天线E面和H面的辐射方向图，具体如图6所示。天线的H面辐射方向图具有良好全向特性，不圆度<8 dB。整个频段内其辐射方向图的形状能保持稳定而且具有较好的不圆度，满足超宽带通信系统对天线辐射特性的要求。图6 天线在3 GHz、6 GHz和9 GHz时的方向图3 结束语本文提出了一种新型小型化UWB微带缝隙天线。陷波特性是通过在馈线和辐射板上开两个U型缝隙，引入半波长谐振结构而获得的。通过电磁仿真软件HFSS11仿真计算，确定了天线的几何尺寸。在微波暗室中对天线实物样品的输入端反射特性、辐射方向图等进行测量。研究结果显示，天线的仿真数据和实测数据有较好的一致性，该天线在2.9