基于开窗结构和寄生单元的双陷波超宽带天线
韩涛+张明军+王红成
摘 要： 设计了一款具有双陷波特性的平面超宽带天线。超宽带基础天线的馈电采用渐变式阶梯阻抗匹配结构，使得天线具有宽阻抗匹配能力。通过在椭形辐射器内进行开窗，以及在地面添加矩形寄生单元，实现了天线的双陷波特性。测试结果表明，该天线的工作带宽（VSWR<2）为3.1～10 GHz，工作在超宽带（UWB）频率范围，两个陷波分别在3.3～4.0 GHz和5.0～5.85 GHz，可以應用于WiMAX和WLAN频段的信号抑制。仿真与实测结果表明，该天线结构简单，具有良好的陷波功能，能够很好地应用于超宽带通信系统中。
关键词： 超宽带； 双陷波特性； 寄生结构； 开窗结构
中图分类号： TN929?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）01?0063?04
Abstract： A planar ultra?wideband （UWB） antenna with dual band?notched characteristic was designed. The gradual stepped impedance matching structure is adopted by the feed of the UWB base antenna to make the antenna have the matching capacity of wide impedance. The windowing was conducted inside the elliptic radiator and the rectangular parasitic element was added into the ground to realize the dual band?notched characteristic of the antenna. The test results show that the operation bandwidth of the antenna is 3.1～10 GHz when VSWR is less than 2， it works at the frequency range of UWB； the dual band?notched characteristic is shown in 3.3～4.0 GHz and 5.0～5.85 GHz， and widely used in the signal suppression of WiMAX and WLAN frequency bands. The simulation and actual measurement results show that the antenna has simple structure and excellent band?notched function， and can be well applied in the UWB communication system.
Keywords： ultra wideband； dual band?notched characteristic； parasitic structure； windowing structure
0 引 言
自2002年美国联邦通信委员会（FCC）将3.1～10.6 GHz频段规划为超宽带（UWB）的商用频段后，超宽带通信技术引起了越来越多的关注[1]。超宽带作为一种新型短距离、高速率无线通信技术，被应用于无线音视频传输系统中。与此同时，由于超宽带系统的频段非常宽，在工作时很容易受到如WiMAX频段（3.3～3.7 GHz）、WLAN频段（5.15～5.825 GHz）等窄带通信系统的通信干扰[2]。为了解决通信干扰的问题，可以在超宽带系统前端引入各种滤波器进行频带选择，减少窄带系统和超宽带系统的干扰，但这样不仅会增加系统的体积而且阻抗匹配会更加困难[3]。因此，直接在UWB天线的基础上设计出具有陷波特性的天线结构显得尤为重要。
利用不同的结构能够实现超宽带天线的陷波功能，文献[4?5]在天线结构中引入寄生单元，文献[6?7]采用分形结构，文献[8?9]加入调谐枝节，文献[10?12]利用开槽的方法。本文通过在椭形辐射器内进行开窗，以及在地面添加矩形寄生单元，提出一种具有双陷波特性的UWB天线结构，并对该天线进行仿真和测试。该天线的馈电采用渐变式阶梯阻抗匹配结构，实现宽频段内的阻抗匹配，然后对天线的椭形单元开缝和在地板上添加寄生单元，实现双陷波特性。天线结构简单易于加工，尺寸大小为50 mm×52 mm，而且在3.3～4.0 GHz和5～5.85 GHz上呈现高陷波特性，VSWR曲线变化陡峭，具有高选择性抑制能力。
1 UWB天线设计
基础UWB天线在馈电端采用渐变馈电结构，如图1（a）所示。这在一定程度上相当于宽频阻抗转换器，可以使得该椭形天线阻抗在很宽的频段内和50的SMA头匹配。为了实现该天线在5.5 GHz附近的陷波特性，实现天线对5.15～5.825 GHz频段内的信号抑制，在图1（a）天线背面附加了两个矩形的寄生单元，图1（b）为双陷波超宽带天线的背面，由地板和寄生单元两部分构成。为了实现该天线在低频3.5 GHz附近的陷波特性，在图1（a）的椭形辐射单元的内部开一个中心对称的窗口缝结构。图1（c）为双陷波超宽带天线的正面，由于陷波中心频率为3.5 GHz相对较小，使得开缝长度较大，因此本文采用窗口开法。经过天线模型优化设计，最终确定天线的参数如下：
mm，11.5 mm， mm，mm，mm，2 mm， mm，mm， mm， mm，mm，mm， mm，mm，mm。
2 UWB天线陷波特性分析
为了抑制窄带通信系统WLAN和WiMAX对UWB信号的干扰，本文设计的天线通过在椭形辐射器内进行开窗以及在地面添加矩形寄生单元来实现UWB天线的双陷波特性。天线的仿真阻抗图如图2所示，由天线的输入阻抗实部图可以看出，在3.5 GHz附近和5.5 GHz附近的陷波阻抗实部非常大，与50阻抗完全不匹配，而且在3.5 GHz附近和5.5 GHz附近的陷波阻抗虚部正负变化非常剧烈，因此天线在开缝和添加寄生单元的情况下，可以有效地产生两个明显的陷波特性。
超宽带陷波天线在中心频率3.5 GHz下的电流分布图如图3（a）所示，由图中可以看到电流主要集中在正面辐射贴片所开的窗口缝隙周围，说明开缝窗口的尺寸对3.5 GHz影响较大，窗口缝隙的长度和宽带的尺寸对天线中心频率位置和VSWR性能的影响如图4（a），图4（b）所示，可以看到缝隙的尺寸变化主要对3.5 GHz有影响，对5.5 GHz的陷波基本没有影响。超宽带陷波天线在中心频率5.5 GHz下的电流分布图如图3（b）所示，由图可以看出在阻带频率5.5 GHz处，电流主要集中分布在地面两个矩形寄生单元上，寄生单元的尺寸影响着5.5 GHz处陷波的位置和VSWR，寄生单元的宽度和位置尺寸对天线VSWR性能的影响如图4（c），图4（d）所示，可以看到寄生单元的尺寸变化主要对5.5 GHz有影响，对3.5 GHz的陷波基本没有影响。
3 实验结果和分析
通过仿真计算对天线各个参数进行优化选择之后，制作了天线实物如图5所示。
利用矢量网络分析仪对天线的驻波比进行测量，如图6所示。
天线的陷波范围处于3.3～4.0 GHz和5～5.85 GHz，与仿真结果相比，在两个陷波频段稍微偏移，但总体满足双陷波特性的设计需求，这些偏差是在加工天线实物和焊接端口时出现的问题。
天线在3 GHz，6.5 GHz和8.5 Hz频率点处的仿真远场辐射方向图如图7所示，天线在E面低频段内具有类似单极子天线的“∞”方向图，但随着频率的不断升高，天线的辐射方向图会产生一定的变化，但总体大概形状还是保持为“∞”。天线在H面的辐射方向图近似全向，随着天线工作频率的升高，天线的全向辐射特性变差。
在频带3～10 GHz范围内，双阻带特性超宽带天线的增益如图8所示。天线的增益曲线由于在3.5 GHz和5.5 GHz附近有陷波特性，导致这两个频点处的增益明显降低，阻带外的增益都比较稳定，说明该天线具有良好的陷波特性。
4 结 语
本文设计研究了一种具有双陷波特性的超宽带天线。通过使用在辐射器内部添加寄生结构和地面开槽的方法分别实现了3.3～4.0 GHz和5.0～5.85 GHz（WLAN）两个阻带，可以抑制WiMAX和WLAN频段对超宽带频段通信的影响，实际制作了天线并对其性能进行测量。仿真与测试结果表明，该天线能够有效地抑制超宽带通信系统与这两个窄带通信系统间的干扰，具有良好的陷波特性。
参考文献
[1] Federal Communications Commission. First report and order in the matter of revision of part 1?5 of the commission rules regarding ultra?wideband transmission systems [R]. USA： FCC， 2002.
[2] 何之煜，刘运林.一种小型的“Y”形超宽带天线[J].现代电子技术，2015，38（5）：73?76.
[3] 張涌萍，杨汝.具有优越陷波选择性和带宽的超宽带缝隙天线[J].现代电子技术，2014，37（15）：86?88.
[4] ANTONINO?DAVIU E， CABEDO?FABRES M， FERRANDO?BATALLER M， et al. Modal analysis and design of band?notched UWB planar monopole antennas [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2010， 58（5）： 1457?1467.
[5] LI T， ZHAI H Q， LI G H， et al. Compact UWB band?notched antenna design using interdigital capacitance loading loop resonator [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2012， 11： 724?727.
[6] SU S W， WONG K L， CHANG F S. Compact printed ultra?wideband slot antenna with a band?notched operation [J]. Microwave and optical technology letters， 2005， 45（2）： 128?130.
[7] HU S J， WANG G M， ZHENG L， et al. Design of a novel triangular wideband microstrip slot antenna with band?notched characteristic [C]// Proceedings of 2012 5th Global Symposium on Millimeter Waves. Harbin， China： [s.n.]， 2012： 191?194.
[8] LI B， HONG J S， WANG B Z. Switched band?notched UWB/dual?band WLAN slot antenna with inverted S?shaped slots [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2012， 11： 572?575.
[9] EMADIAN S R， GHOBADI C， NOURINIA J， et al. Bandwidth enhancement of CPW?fed circle?like slot antenna with dual band?notched characteristic [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2012， 11： 543?546.
[10] LI W T， HEI Y Q， FENG W， et al. Planar antenna for 3G/bluetooth/WiMAX and UWB applications with dual band?notched characteristics [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2012， 11： 61?64.
[11] MEHRANPOUR M， NOURINIA J， GHOBADI C， et al. Dual band?notched square monopole antenna for ultrawideband applications [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2012， 11： 172?175.
[12] 叶亮华，褚庆昕.一种小型的具有良好陷波特性的超宽带缝隙天线[J].电子学报，2010，38（12）：2862?2867.
摘 要： 设计了一款具有双陷波特性的平面超宽带天线。超宽带基础天线的馈电采用渐变式阶梯阻抗匹配结构，使得天线具有宽阻抗匹配能力。通过在椭形辐射器内进行开窗，以及在地面添加矩形寄生单元，实现了天线的双陷波特性。测试结果表明，该天线的工作带宽（VSWR<2）为3.1～10 GHz，工作在超宽带（UWB）频率范围，两个陷波分别在3.3～4.0 GHz和5.0～5.85 GHz，可以應用于WiMAX和WLAN频段的信号抑制。仿真与实测结果表明，该天线结构简单，具有良好的陷波功能，能够很好地应用于超宽带通信系统中。
关键词： 超宽带； 双陷波特性； 寄生结构； 开窗结构
中图分类号： TN929?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）01?0063?04
Abstract： A planar ultra?wideband （UWB） antenna with dual band?notched characteristic was designed. The gradual stepped impedance matching structure is adopted by the feed of the UWB base antenna to make the antenna have the matching capacity of wide impedance. The windowing was conducted inside the elliptic radiator and the rectangular parasitic element was added into the ground to realize the dual band?notched characteristic of the antenna. The test results show that the operation bandwidth of the antenna is 3.1～10 GHz when VSWR is less than 2， it works at the frequency range of UWB； the dual band?notched characteristic is shown in 3.3～4.0 GHz and 5.0～5.85 GHz， and widely used in the signal suppression of WiMAX and WLAN frequency bands. The simulation and actual measurement results show that the antenna has simple structure and excellent band?notched function， and can be well applied in the UWB communication system.
Keywords： ultra wideband； dual band?notched characteristic； parasitic structure； windowing structure
0 引 言
自2002年美国联邦通信委员会（FCC）将3.1～10.6 GHz频段规划为超宽带（UWB）的商用频段后，超宽带通信技术引起了越来越多的关注[1]。超宽带作为一种新型短距离、高速率无线通信技术，被应用于无线音视频传输系统中。与此同时，由于超宽带系统的频段非常宽，在工作时很容易受到如WiMAX频段（3.3～3.7 GHz）、WLAN频段（5.15～5.825 GHz）等窄带通信系统的通信干扰[2]。为了解决通信干扰的问题，可以在超宽带系统前端引入各种滤波器进行频带选择，减少窄带系统和超宽带系统的干扰，但这样不仅会增加系统的体积而且阻抗匹配会更加困难[3]。因此，直接在UWB天线的基础上设计出具有陷波特性的天线结构显得尤为重要。
利用不同的结构能够实现超宽带天线的陷波功能，文献[4?5]在天线结构中引入寄生单元，文献[6?7]采用分形结构，文献[8?9]加入调谐枝节，文献[10?12]利用开槽的方法。本文通过在椭形辐射器内进行开窗，以及在地面添加矩形寄生单元，提出一种具有双陷波特性的UWB天线结构，并对该天线进行仿真和测试。该天线的馈电采用渐变式阶梯阻抗匹配结构，实现宽频段内的阻抗匹配，然后对天线的椭形单元开缝和在地板上添加寄生单元，实现双陷波特性。天线结构简单易于加工，尺寸大小为50 mm×52 mm，而且在3.3～4.0 GHz和5～5.85 GHz上呈现高陷波特性，VSWR曲线变化陡峭，具有高选择性抑制能力。
1 UWB天线设计
基础UWB天线在馈电端采用渐变馈电结构，如图1（a）所示。这在一定程度上相当于宽频阻抗转换器，可以使得该椭形天线阻抗在很宽的频段内和50的SMA头匹配。为了实现该天线在5.5 GHz附近的陷波特性，实现天线对5.15～5.825 GHz频段内的信号抑制，在图1（a）天线背面附加了两个矩形的寄生单元，图1（b）为双陷波超宽带天线的背面，由地板和寄生单元两部分构成。为了实现该天线在低频3.5 GHz附近的陷波特性，在图1（a）的椭形辐射单元的内部开一个中心对称的窗口缝结构。图1（c）为双陷波超宽带天线的正面，由于陷波中心频率为3.5 GHz相对较小，使得开缝长度较大，因此本文采用窗口开法。经过天线模型优化设计，最终确定天线的参数如下：
mm，11.5 mm， mm，mm，mm，2 mm， mm，mm， mm， mm，mm，mm， mm，mm，mm。
2 UWB天线陷波特性分析
为了抑制窄带通信系统WLAN和WiMAX对UWB信号的干扰，本文设计的天线通过在椭形辐射器内进行开窗以及在地面添加矩形寄生单元来实现UWB天线的双陷波特性。天线的仿真阻抗图如图2所示，由天线的输入阻抗实部图可以看出，在3.5 GHz附近和5.5 GHz附近的陷波阻抗实部非常大，与50阻抗完全不匹配，而且在3.5 GHz附近和5.5 GHz附近的陷波阻抗虚部正负变化非常剧烈，因此天线在开缝和添加寄生单元的情况下，可以有效地产生两个明显的陷波特性。
超宽带陷波天线在中心频率3.5 GHz下的电流分布图如图3（a）所示，由图中可以看到电流主要集中在正面辐射贴片所开的窗口缝隙周围，说明开缝窗口的尺寸对3.5 GHz影响较大，窗口缝隙的长度和宽带的尺寸对天线中心频率位置和VSWR性能的影响如图4（a），图4（b）所示，可以看到缝隙的尺寸变化主要对3.5 GHz有影响，对5.5 GHz的陷波基本没有影响。超宽带陷波天线在中心频率5.5 GHz下的电流分布图如图3（b）所示，由图可以看出在阻带频率5.5 GHz处，电流主要集中分布在地面两个矩形寄生单元上，寄生单元的尺寸影响着5.5 GHz处陷波的位置和VSWR，寄生单元的宽度和位置尺寸对天线VSWR性能的影响如图4（c），图4（d）所示，可以看到寄生单元的尺寸变化主要对5.5 GHz有影响，对3.5 GHz的陷波基本没有影响。
3 实验结果和分析
通过仿真计算对天线各个参数进行优化选择之后，制作了天线实物如图5所示。
利用矢量网络分析仪对天线的驻波比进行测量，如图6所示。
天线的陷波范围处于3.3～4.0 GHz和5～5.85 GHz，与仿真结果相比，在两个陷波频段稍微偏移，但总体满足双陷波特性的设计需求，这些偏差是在加工天线实物和焊接端口时出现的问题。
天线在3 GHz，6.5 GHz和8.5 Hz频率点处的仿真远场辐射方向图如图7所示，天线在E面低频段内具有类似单极子天线的“∞”方向图，但随着频率的不断升高，天线的辐射方向图会产生一定的变化，但总体大概形状还是保持为“∞”。天线在H面的辐射方向图近似全向，随着天线工作频率的升高，天线的全向辐射特性变差。
在频带3～10 GHz范围内，双阻带特性超宽带天线的增益如图8所示。天线的增益曲线由于在3.5 GHz和5.5 GHz附近有陷波特性，导致这两个频点处的增益明显降低，阻带外的增益都比较稳定，说明该天线具有良好的陷波特性。
4 结 语
本文设计研究了一种具有双陷波特性的超宽带天线。通过使用在辐射器内部添加寄生结构和地面开槽的方法分别实现了3.3～4.0 GHz和5.0～5.85 GHz（WLAN）两个阻带，可以抑制WiMAX和WLAN频段对超宽带频段通信的影响，实际制作了天线并对其性能进行测量。仿真与测试结果表明，该天线能够有效地抑制超宽带通信系统与这两个窄带通信系统间的干扰，具有良好的陷波特性。
参考文献
[1] Federal Communications Commission. First report and order in the matter of revision of part 1?5 of the commission rules regarding ultra?wideband transmission systems [R]. USA： FCC， 2002.
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[4] ANTONINO?DAVIU E， CABEDO?FABRES M， FERRANDO?BATALLER M， et al. Modal analysis and design of band?notched UWB planar monopole antennas [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2010， 58（5）： 1457?1467.
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[6] SU S W， WONG K L， CHANG F S. Compact printed ultra?wideband slot antenna with a band?notched operation [J]. Microwave and optical technology letters， 2005， 45（2）： 128?130.
[7] HU S J， WANG G M， ZHENG L， et al. Design of a novel triangular wideband microstrip slot antenna with band?notched characteristic [C]// Proceedings of 2012 5th Global Symposium on Millimeter Waves. Harbin， China： [s.n.]， 2012： 191?194.
[8] LI B， HONG J S， WANG B Z. Switched band?notched UWB/dual?band WLAN slot antenna with inverted S?shaped slots [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2012， 11： 572?575.
[9] EMADIAN S R， GHOBADI C， NOURINIA J， et al. Bandwidth enhancement of CPW?fed circle?like slot antenna with dual band?notched characteristic [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2012， 11： 543?546.
[10] LI W T， HEI Y Q， FENG W， et al. Planar antenna for 3G/bluetooth/WiMAX and UWB applications with dual band?notched characteristics [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2012， 11： 61?64.
[11] MEHRANPOUR M， NOURINIA J， GHOBADI C， et al. Dual band?notched square monopole antenna for ultrawideband applications [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2012， 11： 172?175.
[12] 叶亮华，褚庆昕.一种小型的具有良好陷波特性的超宽带缝隙天线[J].电子学报，2010，38（12）：2862?2867.
