具有多阻带特性的超宽带天线研究与设计

郭世宇，华伟，崔琳

（四川大学电子信息学院，四川成都610065）

具有多阻带特性的超宽带天线研究与设计

郭世宇，华伟，崔琳

（四川大学电子信息学院，四川成都610065）

设计一种具有多阻带特性的平面超宽带天线，采用在辐射贴片开C型槽和H型槽的方法实现天线在WiMAX频段和WLAN频段的带阻抑制特性。U型槽孔产生高于10.6 GHz的高频阻带，同时馈线终端的阶梯结构实现了多频宽带的匹配。该天线在3.16～3.73 GHz，4.63～6.02 GHz以及高于10.6 GHz的超宽带频带内形成阻带，表明其在工作频带内有良好的抗干扰能力。此外，在天线的通带内有良好的全向特性，结果表明该设计方法的有效性。

超宽带天线；阻带特性；U型槽；阶梯结构

0 引言

近些年，随着现代无线通信技术的迅猛发展，低功耗、小型化、高传输速率和抗干扰能力成为现代无线通信的关键技术。尤其是在2002年美国联邦通信委员会允许3.1～10.6 GHz超宽频段的商业许可后，超宽带天线的研究与设计受到越来越多的关注。与此同时，由于超宽带天线具有尺寸小、重量轻和传输速率高等优点，被大量地应用到各种无线通信中。目前已经有很多的天线设计满足3.1～10.6 GHz超宽带通信无线电频带通信的需要[1]。

但是随着通信协议的增加，频谱资源的分配与使用也越来越紧张。在3.1～10.6 GHz超宽带通信无线电频段内还存在其他的一些窄带系统，形成了频带交叠的现象。例如，工作在3.3～3.7 GHz频带的Worldwide Interoperability For Microwave Access（WiMAX）和工作在5.15～5.825 GHz频带的Wireless Local Area Network（WLAN）。这种频带交叠现象的出现会导致超宽带通信系统与其他通信系统在工作时会产生冲突和相互干扰。因此，很多方法被用来研究超宽带天线的带阻特性，以减小窄带通信对超宽带系统的影响[2⁃3]。例如：附加滤波器，寄生单元或者是开槽的方法[4⁃10]。但是这些具有带阻特性的天线大部分是研究超宽带天线的单阻带或是双阻带抑制。除此之外，还较少考虑到超宽带天线高频截止特性，难以满足频谱资源愈发紧张的要求。

本文提出一种结构紧凑的超宽带天线。通过辐射贴片上C型和H型槽孔实现WiMAX和WLAN的阻带抑制特性，阶梯结构改善了天线的宽频带特性，并且利用馈线上的U型槽孔获得了天线的高频截止特性。同时，在天线的通带内有良好的全向辐射方向图，具有一定的使用价值。

1 天线的结构设计

天线的结构设计如图1所示。天线的尺寸为32 mm× 22 mm，整体印制在厚度为1.6 mm，相对介电常数为4.4的FR4介质基板上。天线的辐射贴片部分为不规则的矩形。为了获得WiMAX和WLAN频段的带特性，在辐射贴片上开了一对C型槽和一个H型槽，其中C型槽宽度为0.5 mm，H型槽宽度为0.3 mm。辐射贴片与馈线终端连接处采用了阶梯结构，大大改善了超宽带天线的宽带特性。馈线上的U型槽孔引起了高于10.6 GHz频带的带阻特性，U型槽孔的宽度为0.2 mm。

图1 天线结构示意图

该天线基于一个无带阻特性的UWB天线基础上，在天线上开槽获得带阻特性。与此同时，改变槽孔的长度、宽度以及位置可以获得不同的阻带。一般情况下，槽孔的长度约是中心频率处波长的一半，可由经验公式（1）计算：

式中：c为真空中的光速；Ln为槽孔的长度；fn为阻带的中心频率，εeff为有效介电常数。

通过调节槽孔参数可以改变带阻特性，从而得到理想的天线性能。其原理是在天线结构中引入抑制频率的LC谐振回路，槽孔参数的改变导致回路LC值的变化，结果影响了抑制的中心频率和相应的阻带特性。最后得到的优化参数如下：Wsub=22 mm，Lsub=32 mm，W=15 mm，L=11 mm，Lgrd=12.5 mm，W1=5 mm，W2= 4.5 mm，L1=4 mm，W3=11.4 mm，L2=3 mm，W4=2 mm，L3=2 mm，W5=2 mm，L4=1.5 mm，W6=1.3 mm，L5= 3.6 mm，Wf=2.8 mm。

2 结果与分析

图2为天线的电压驻波比（VSWR）的测量与仿真结果对比图。从仿真结果和测试的结果可以看出，两曲线吻合较好，误差的原因可能与天线的制造误差或者测试环境的改变有关。从图中还可以看出天线在3.16～3.73 GHz，4.63～ 6.02 GHz以及高于10.6 GHz的频带内VSWR>2，而在其他的频带内VSWR<2，满足了带阻特性的要求，从而减少了系统间的相互干扰。

图2 天线仿真和实测S11曲线

图3～图5分别是天线在4 GHz，8 GHz和10 GHz下的辐射方向图。从三者对比可以看出：天线的H面辐射方向图为全向辐射，在不同频率下基本一致；但E面辐射方向图随着频率的增高有稍许改变。

图3 天线在4 GHz时的增益图

图4 天线在8 GHz时的增益图

图5 天线在10 GHz时的增益图

3 结语

本文提出一种结构紧凑的具有多阻带特性的超宽带天线。天线具有3.16～3.73 GHz，4.63～6.02 GHz以及高于10.6 GHz频带的三个阻带抑制特性，其中3.16～ 3.73 GHz和4.63～6.02 GHz的阻带分别由辐射贴片上一对C型槽孔和H型槽孔产生，高于10.6 GHz的阻带由馈线上的U型槽孔产生。馈线终端的阶梯结构改善了超宽带天线的宽带特性。天线实现了WLAN，WiMAX以及高于10.6 GHz频带的带阻特性，在通带内有良好的全向辐射方向图，并且该天线尺寸小，易与电路集成，具有一定的使用价值。

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Research and design of UWB antenna with multiple band⁃notched characteristic

GUO Shi⁃yu，HUA Wei，CUI Lin
（College of Electronics and Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

A planar ultra⁃wideband（UWB）antenna with multiple band⁃notched characteristic is designed.The band⁃notched characteristic in the frequency range of WiMAX and WLAN is achieved by etching the C⁃shaped and H⁃shaped slots on the radiated patch.High frequency band⁃notched which is higher than 10.6 GHz is generated by the U⁃shaped slot，and the matching of multi frequency wide⁃band is implemented by the staircase structure of the feeder terminal.The notched band is shaped within 3.16～3.73 GHz，4.63～6.02 GHz and above 10.6 GHz among the UWB frequency range of the antenna，it indi⁃cates that the antenna has good anti⁃interference ability in the working frequency range.Meanwhile，the design method proved by good omnidirectional character in pass⁃band of the antenna is effective.

UWB antenna；band⁃notched characteristic；U⁃shaped slot；staircase structure

TN822⁃34

A

1004⁃373X（2015）09⁃0068⁃02

郭世宇（1990—），男，安徽芜湖人，硕士研究生。主要研究方向为电磁场与微波技术。

2014⁃12⁃15