采用U形寄生单元的微带馈电的平面超宽带天线

本文所设计的天线采用Rogers RT/duroid 5880为基板，整体尺寸仅为23 mm×13 mm×0.508 mm,具有易加工、便于集成的特点。仿真和测试结果表明该天线在3.25~3.6 GHz,5.1~5.9 GHz和9.5~9.9 GHz处形成3个陷波频段，适合于超宽带系统的使用。

引言

随着2002年美国联邦通信委员会（FCC）通过决议批准将3.1~10.6 GHz的频率资源用于商业领域，具有高传输速率、低功耗、低成本、抗干扰能力强、穿透能力强、低截获概率等众多优势的超宽带（Ultra-Wideband,UWB）无线通信技术在科研和无线工业领域得到了迅猛的发展。国内外已经有许多不同类型的天线被设计出来，并覆盖了整个的UWB频段，但与此同时，这一频段与全球微波互联接入（WiMax,3.25~3.6 GHz）、无线局域网（WLAN,5.15~5.825 GHz）和X 频段（9.5~9.9 GHz）等无线通信的工作频段存在重合。出于防止相互干扰的目的，对超宽带天线的设计提出了在目标频段实现陷波功能的要求。很多文献都描述了许多方法，用于实现天线的陷波特性，例如，通过在天线上开不同形状的缝隙结构的方法，使用调谐支线的方法，加载寄生单元[10]的方法等等。

本文设计了一款微带馈电的平面超宽带天线，为了在目标频段内实现陷波特性，通过在微带馈线旁增加U型寄生单元结构，在原3.1~10.6 GHz的通带上，有效地实现了3.25~3.6 GHz、5.1~5.9 GHz和9.5~9.9 GHz的陷波，且总体辐射特性良好。同时研究了寄生单元参数变化对阻带特性造成的影响，通过分析对比得出了最佳的参数选择，天线总尺寸为23 mm×13 mm×0.508 mm.结构简单、易于加工。

1 天线结构

本文所设计的工作于3.1~10.6 GHz频段的UWB天线几何结构如图1所示。该天线采用Rogers RT/duroid5880作为介质基板材料，其相对介电常数为2.2,厚度为0.508 mm.介质板的长宽分别为Wsub ,Lsub.辐射贴片由一个采用微带馈电的矩形金属片演变而来，通过调整其微带馈线位置，形成偏馈结构，以及对该矩形贴片表面电流分布较弱区域进行裁剪，使得天线表面电流路径得到增大，从而达到了减小天线面积的作用。接地板结构如图1所示，较普通接地板，左右各添加了非对称支臂，这个结构可以有效的展宽天线的带宽。馈线的宽度为wg,阻抗为50 Ω，辐射单元与接地板三面之间的间隔都是1 mm.

通过优化设计，最终确定该UWB 结构天线的各个几何参数具体数值如表1所示。

在此UWB 天线基础上，采用U 型寄生单元结构进行天线的陷波设计。该寄生单元各几何参数如图2所示，分别为lp1,lp2 和wp.寄生单元与微带馈线之间的间距为0.1 mm.采用基于时域有限积分（FITD）法的电磁仿真软件进行仿真。

2 天线设计与实验结果

该陷波结构天线中寄生单元的最优尺寸如表2所示。

图3~图5 分别显示了lp1,lp2 和wp 变化时，对天线阻带性能的影响。

对图3~图5进行分析对比，可以发现，对于天线带陷频段的改变，lp1 和lp2 的影响很大，而wp 的改变几乎对天线的陷波频段没有影响。当lp1 变化时，对WiMax 和WLAN 陷波频段的影响较大，而X 频段的阻带变化较小；当lp2变化时，可以改变3个陷波频段的范围，同时对X频段的阻带影响最大。采用如表2所示的寄生单元最优参数时，所设计的天线在3个频段内具有较好的陷波特性，且其他UWB频段仍是通带，满足设计的指标。本文将所设计的陷波天线进行加工，其实物如图6所示。

采用安捷伦矢量网络分析仪（E5071C）对其S11参数进行了测试，图7是S11实测结果与仿真结果的对比。可以看出天线仿真结果与测试结果之间有较好的一致性，可以产生3.25~3.6 GHz、5.1~5.9 GHz 和9.5~9.9 GHz 的陷波频段。图8给出了有寄生单元和无寄生单元时超宽带天线的增益仿真结果，有寄生单元天线在3个陷波频段内的增益具有较低的电平。

超宽带系统要求天线的具有很好的全向辐射特性，图9分别给出了本文提出的陷波天线在3.2 GHz、8 GHz和10.5 GHz频点上的E面、H面辐射方向图。从图9中可知，该天线的H面方向图具有较好的全向性。

3 结论

本文通过地板和辐射贴片的改进，设计了一种采用微带馈电的平面超宽带天线，并采用在微带馈线旁边加载U形寄生单元的方式，获得了3个频段的带陷特性。采用调整寄生单元长度和宽度的方法，可以在不同的频带内实现陷波特性，并且具有很好的全向辐射特性。测试结果表明，该天线阻抗带宽覆盖了3.1~10.6 GHz的UWB 频段，并在3.25~3.6 GHz、5.1~5.9 GHz和9.5~9.9 GHz实现了的陷波特性。天线尺寸仅为23 mm×13 mm× 0.508 mm,结构简单、加工方便、易于集成，具有良好的应用前景。