一种新型具有带阻特性的超宽带天线

　　近年来，随着无线通讯产品的普及，超宽带技术的发展，人们对天线的带宽提出了越来越高的要求。自2002年，联邦通讯委员会(FCC)通过决议允许把3.1-10.6 GHz频段应用于商业领域，具有高数据传输率、低成本、低功耗和抗干扰能力强的UWB通信系统得到了迅速发展。应用于UWB通信系统终端的天线必须具有如下特点：如线性的相位响应，全向的辐射方向图，平稳的增益。因此，超宽带天线的设计成为了UWB系统的主要挑战之一。平面印制天线，如矩形，圆形，椭圆形，蝶形单极子，偶极子等，具有宽频带、低色散、低损耗、低剖面、重量轻、易于制作、价格低廉等优点，已广泛应用于UWB通信系统。而采用CPW馈电的平面印制天线具有易于和有源、无源器件的串并连接，易于MMIC的集成化，有利于阻抗匹配和提高增益。然而这个频段包括了无线局域网(WLAN)5.2 GHz和5.8 GHz的工作频段，为了避免与无线局域网之间的干扰，就需要具有在5～6 GHz的频带内加入带阻特性。因此，具有带阻特性的UWB天线受到了广泛的关注研究。

　　文中提出了一种结构简单的，新型共面波导馈电的具有带阻特性的平面单极子超宽带天线。该天线是在辐射单元上开矩形宽缝隙，然后加入一个矩形微带调谐支节，从而获得良好的带阻特性。通过仿真，研究了天线的工作特性，结果表明，该天线的工作频带为2.49～14.53 GHz，其中5～6 GHz频带内具有很好的带阻特性。同时在整个工作频带内具有良好的全向辐射方向图，因而具有一定的使用价值。

　　1 天线原理与结构设计

　　天线的结构，如图1所示，天线制作在相对介电常数为

　　1.1 天线初始结构的计算

　　对于单极微带天线，可利用圆柱体近似法计算出低点的谐振频率，即VSWR最先<2的频率点。文中是通过正方形辐射贴片的等效转换，最终推导出低点谐振频率与半圆形辐射贴片半径的关系式，即

　　可得

　　一般地L取为

　　参数F记为

　　由式(3)，式(4)可得

　　所以低点的频率fL可以写成

　　通过面积等效原理并假设W=L，则得到

　　其中fL的单位是GHz;L，R，r的单位是mm。利用UWB通信系统的低点谐振频率fL=3.1 GHz，可以计算出单极子天线的初始半径R=15.8 mm。该半径用于HFSS建模仿真，随后可以通过改变半径来获得较大的带宽和较高的增益。

　　1.2 天线阻带特性的设计

　　由于贴片电流主要集中在靠近接地板的下半部分，为了获得带阻特性，通过仿真软件参数分析优化发现，在距离辐射贴片底边1 mm处开宽矩形缝隙并且加入调谐支节，调谐支节与辐射单元周围的间距为0.5 mm，并通过宽度为1 mm的微带线相连接。矩形调谐支节的长度为Ls，宽度为Ws。其基本原理就是在天线结构里引入需要抑制频率的“LC谐振回路”，通过改变微带支节的长度和宽度，相当于改变了构成回路的LC值，从而影响了需要抑制的中心频率和相应的阻带频带宽度。文中通过软件仿真，验证了这种结构的合理性，即相当于引入了相应频率上的带阻滤波器，使得该中心频率上天线的阻抗特性变差。

　　2 天线优化与参数分析

　　利用电磁仿真软件HFSS对天线的性能进行了分析，从而确定天线的基本尺寸。为了达到天线结构的小型化和超宽带特性，通过仿真优化，最终确定的天线基本尺寸为：天线总体大小W×L=50×35 mm2，接地板下边宽度Wmax=22.67 mm，接地板上边宽度Wmin=3 mm，接地板高度Lg=16 mm，辐射贴片与接地板上边间距s=0.8 mm。

　　2.1 天线工作频带的分析

　　为了抑制WLAN系统的干扰，通过在辐射金属片上加入矩形调谐支节，从而使天线具有陷波特性。由于辐射单元的电流主要沿着贴片边缘分布，而接地板的电流则集中分布在接地板的上边缘，所以在距离辐射贴片底边1 mm处开宽矩形缝隙，并加入调谐支节。天线回波损耗随频率变化的仿真结果，如图2所示，可以看出，天线在2.49～14.53 GHz范围内回波损耗S11≤-10 dB，但在4.9～5.92 GHz频段时天线回波损耗S11>-10 dB，这表明该天线具有带阻特性，从而减少了系统间的干扰。

　　文中对影响天线性能的主要参数进行了分析研究，在保持其它参数不变的情况下，分别改变调谐支节的长度和宽度使回波损耗产生不同的变化。图3所示为回波损耗随调谐支节长度变化的曲线图，可以看出当长度逐渐增加时阻带的中心频率会向频率低端移动，而阻带频率宽度在Ls=1 mm，2 mm时基本不变，如进一步增加支节长度则阻带带宽显著增加。

从图3中还可以看出，调谐支节长度对总体工作频带的高端频率的影响，随着长度的增加，高端频率有所下降，带宽有所减校天线的输入端回波损耗随调谐支节宽度的变化曲线，如图4所示，随着调谐支节宽度的增大，阻带的中心频率逐渐减小，阻带带宽也明显加宽而对总体