紧凑型带阻特性矩形微带贴片超宽带天线设计与实现*

杨 波，罗 斌

（1.四川信息职业技术学院，四川 广元 628040；2.西南交通大学信息科学与技术学院，成都 611756）

0 引言

天线是无线通信系统不可或缺的部分，并且极大地影响了其性能，因此，超宽带宽（Ultra Wide Bandwidth，UWB）的天线已经受到了研究人员的极大关注［1-3］。目前，宽带天线的类型主要包括介质谐振器天线、印刷缝隙天线、印刷单极天线和平面微带贴片天线。其中，因为具有重量轻、成本低、体积小、易于批量制造的优势和宽带特性，微带贴片天线被认为是超宽带应用的最佳选择［4］。现阶段，关于微带天线的研究主要注重于带宽改进，其可分为3 类［5］：一种是在锥形贴片中进行场分布；另一种是实现多个共振的馈电方案；第3 种使用不同形状的插槽和孔径，以产生较宽带宽。

现有研究文献中，大多数天线带宽有限，几乎未涵盖指定的超宽带频段（3.1 GHz～10.6 GHz）［6-8］。参考文献［9-13］中介绍的天线具有非常宽的阻抗带宽，涵盖UWB 频带和Ku 频带（12 GHz～18 GHz）。然而，这些天线在较高频率下存在大尺寸或不规则辐射方向图的缺点，并可能对无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）造成干扰。特别需要注意的是，陷波带的功能是UWB 天线的所需参数之一，以避免现有指定频带的干扰，尤其是频繁用于无线局域网的子带5.1 GHz～5.9 GHz。因为UWB 通信常被用于无线局域网覆盖下的短距离通信。文献［14］中的天线具有紧凑的尺寸、宽阻抗带宽（1.88 GHz～12.01 GHz）和陷波特性，但会产生复杂的天线几何形状和不稳定的辐射方向图，尤其是在高频条件下。

紧凑型微带贴片天线设计具有非常宽的工作带宽（2.9 GHz～23.5 GHz），不仅涵盖UWB 波段、X波段（8 GHz～12 GHz）和Ku 波段，还包括较低的K波段（18 GHz～27 GHz）应用。因此，本文选择紧凑型微带贴片为UWB 天线设计方向。本文设计主要目的是增强WLAN 带阻特性的天线的带宽，同时保持稳定的辐射和较小天线尺寸，使其适用于便携式电子设备。所提出的天线结构非常简单（部分地面上具有U形槽的矩形截断贴片），并且参数很少。贴片的下角用半圆截断以实现宽带特性，而陷波是通过在辐射贴片上蚀刻U 形槽而实现的。在泰康利TLY-5 基板（εr=2.2）上进行了具体实现。仿真和实验结果表明，该天线可有效适用于WLAN 系统频段的超宽带通信中。

1 提出的UWB 天线设计

1.1 天线结构

提出天线的几何结构如图1 所示。天线由简单的截断矩形贴片和部分接地面组成，印刷在长度为L、宽度为A 和厚度为H 的泰康利TLY-5 基板的两侧。基板的相对介电常数（εr）为2.2，损耗角正切（tan δ）为0.000 9。部分接地面的长度是Lg，宽度与基板A 的宽度相同。R 是截断贴片下角的圆的半径。宽度为WS的U 形槽的位置用P 表示，而LS和Ly分别表示槽的水平长度和垂直长度。天线由具有50 Ω 特性阻抗且宽度为WF的微带馈电。天线设计的整体尺寸为A×L×H mm3，这是具有陷波特性的最小UWB 天线设计之一。优化天线的参数总结如下：A=13mm，L=22mm，H=0.78mm，Lg=8.7mm，Lp=12 mm，P=8 mm，LS=11 mm，Ly=5 mm，WS=0.5 mm，WF=1.5 mm，R=3.5 mm。

图1 天线的几何形状和配置

1.2 UWB 天线设计

通过改变贴片长度Lp、贴片宽度A、馈线宽度WS和接地平面Lg的长度，设计并优化了具有有限平面图的常规矩形辐射贴片。与其他微带贴片天线一样，该天线的最大预期带宽为3.1 GHz～11 GHz。之后，利用半径为R 的圆来截断贴片的下端来修改辐射路径。对R 进行调谐，与初始设计相比，阻抗带宽增加了一倍以上。也就是说，天线在2.9 GHz～23.5 GHz 之间获得了非常宽的阻抗带宽，传统贴片和改进贴片天线的电压驻波比［10］（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）如下页图2 所示。实际上，辐射贴片的场分布是通过截断辐射贴片的下角来支持多种谐振模式来实现的，而不只是利用完整地面上传统微带贴片天线内的一个谐振。相互闭合的多个谐振（f0，f1，…，fn）被合并，以提供更宽的带宽。微带贴片天线在基本共振（f0）处的表现为1/4 波长单极子，而在较高模式下f1，…，fn将是f0的谐波，如图3所示。因此，可以通过一个简单的方法和一些调整变量来实现非常宽的带宽。

图2 传统贴片和改进贴片天线的VSWR

图3 演示多个共振的重叠以实现更宽的带宽

1.3 陷波UWB 天线的设计

陷波功能是UWB 天线的重要特性之一，特别是在WLAN 频带上，可以避免对现有授权频带的干扰。贴片上刻有U 形槽，以避免对WLAN 系统造成干扰，例如在5 GHz～6 GHz 频段上运行的IEEE 802.11a 和HIPER-LAN/2。由U 形槽产生的陷波带频率可按如下进行计算：

天线可以通过谐振结构短截线来建模，该短截线由在传输线模型中彼此并联的电感器和电容器组成。在陷波带（4.9 GHz～6.1 GHz），输入阻抗非常高，输入电抗不是0 Ω（图5），造成微带馈线和辐射元件之间的总阻抗不匹配。然而，在其他频率（通带）下，由于良好匹配的阻抗，短截线没有影响。因此，实现了有效的带阻功能，以过滤WLAN 信号。

图4 带有和未带有U 形槽的天线的VSWR

图5 天线和等效电路的阻抗

2 天线设计具体过程介绍

图6 具有陷波带特性的2.9 GHz～23.5 GHz 天线的设计过程

设计天线的详细过程如图6 所示。使用了基于有限元方法的商用模拟器Ansoft HFSS 来对天线进行建模和优化。最初，设计了简单的微带线馈电的矩形贴片。通过调整变量Lp、L、A、WF和Lg来优化天线，以获得与传统微带贴片天线一样的最佳带宽。Lp和A 表示贴片的尺寸，因此，它对中心频率以及阻抗匹配产生影响，而WF（馈电微带的宽度）和Lg（接地面的长度）极大地影响天线的阻抗匹配。发现Lg对天线匹配很敏感，因此，在设计天线的过程中对其进行更改时要特别仔细。

之后，通过用半径为R 的圆截断贴片的下角来修改辐射贴片，以获得更宽的带宽。可以通过改变R的值，来实现非常宽的天线带宽。最后，在贴片上蚀刻U 形槽，并通过改变槽的尺寸（Ls、Ws、Ly）和槽P的位置来对其进行优化，以实现对所需WLAN 的陷波。槽的长度（LS+Ly）决定中心陷波频率，而槽WS的宽度有助于选择陷波带的频率范围。槽（P）的位置要有利于天线，获得更好的阻抗匹配和陷波特性。

3 实验结果与分析

3.1 VSWR 和峰值增益测量

天线原型是在0.79 mm 厚的泰康利TLY-5 基板［8］上制造的，以便用于实验验证，如图7 所示。使用安捷伦矢量网络分析仪来测量所设计天线的VSWR 和辐射特性。图8 显示了模拟和测量的VSWR。测量结果与数值计算结果一致。从结果可以清楚地看出，天线可在3.9 GHz～23.5 GHz 的带宽下工作，在WLAN 频段（4.9 GHz～6.1 GHz）内具有带阻功能。天线的VSWR 在很宽的范围内仍然小于2（阻止带除外），相当于156%的分数带宽。

图7 天线的原型

图8 天线VSWR 随频率的变化

图9 显示了天线的测量和模拟峰值增益随着频率变化的情况。可以看出所提出的天线在感兴趣的频率范围内获得稳定的峰值增益曲线，最大值为6.1 dB，在陷波带周围发现急剧下降（4.9 GHz～6.1 GHz）。在5.5 GHz 时，增益值大约是-5 dB。这证明了天线的陷波特性的有效性。峰值增益在低频时较低，并且随着频率的增加而增加，这是由于在较高频率下天线的有效尺寸增加。测量增益和模拟增益之间的微小差异可能是由于测量误差造成的。

图9 天线峰值增益随频率的变化

3.2 H 平面和E 平面辐射方向图分析

图10 和下页图11 分别显示了H 平面（xz 平面）和E 平面（yz 平面）上的模拟和实测辐射方向图（4 GHz、8 GHz、12 GHz 和16 GHz）。绘制辐射方向图的主要目的是证明天线可以在非常宽的频带上工作。该天线在UWB 波段（3.1 GHz～10.6 GHz）、X 波段（8 GHz～12 GHz）和Ku 波段（12 GHz～18 GHz）上具有稳定且接近全向的辐射特性。H 平面上的辐射方向图几乎是对称的，并且对于4 GHz、8 GHz、12 GHz和16 GHz 是全向的，而它在E 平面中是哑铃状的双向。该辐射方向图类似于在y 轴处定向的宽带单极天线。由于在高频下等效辐射面积增加，因此，16 GHz 处E 平面辐射方向图几乎没有变化。

图10 xz-平面（H-平面）上提出天线在不同频率下的辐射模式

图11 yz-平面（E-平面）上提出天线在不同频率下的辐射模式

为了更好地分析天线的辐射机制，在图12 中评估了陷波带（5 GHz）和通带（10 GHz 和15 GHz）的模拟电流分布。由于槽的共振，更多的电流集中在5.5 GHz 的槽中。功率被反射回端口，导致陷波带的产生。在10 GHz 和15 GHz 时，电流密度集中在辐射器中，特别是在截头角和馈电区域。因此，可以有效地辐射功率，以产生对称的辐射方向图和较高增益。

图12 天线在不同频率下的电流分布

3.3 性能对比

最后，在表1 中将该天线与现有已提出的UWB天线在大小、带宽和陷波特性方面进行了比较。可以看出，提出的天线不仅解决了UWB 信号对WLAN 频带产生的干扰，同时提供了相当小的天线尺寸，带宽更宽并且具有全向辐射方向图。总之，由于其天线配置简单、尺寸更小、陷波功能、辐射方向图稳定性以及非常宽的带宽特性，所提出的天线优于现有天线。

表1 所提出的天线与现有UWB 天线的性能比较

4 结论

本文实现了具有WLAN 带阻特性的紧凑型2.9 GHz～23.5 GHz 微带贴片天线。该天线主要由改进型矩形贴片构成，包括由微带线和部分接地面馈电，并印刷在泰康利TLY-5 基板（0.79 mm）的两侧，介电常数为εr=2.2。通过截断贴片的下角来获得天线的宽带特性，而通过在辐射贴片上蚀刻U 形槽来引入陷波带。仿真和测量结果表明，在VSWR 小于2 时，天线具有陷波带（4.9 GHz～6.1 GHz）可以有效抑制WLAN 信号，同时具有2.9 GHz～23.5 GHz 的较宽阻抗带宽。除了具有紧凑的尺寸、良好的辐射稳定性和较宽的阻抗带宽这些优点外，该UWB 天线还具有机械坚固性、易于集成到电路板中以及出色的低成本批量生产适宜性等特点。