基于U形槽陷波的共面波导超宽带天线

    纪涛+卢新栋

    摘 要：针对超宽带系统易受IEEE802.11a无线局域网（WLAN）的干扰问题，提出了带有U 形槽的平面超宽带天线。该天线采用共面波导馈电，并在波导馈线处刻蚀一U形槽实现5.1～5.9 GHz的陷波。仿真结果表明，在2.7～12GHz的范围内，该天线阻抗带宽为9.3GHz（126%），带 宽内具有良好的阻抗特性和全向辐射特性，并且在5.1～5.9GHz频带内具有明显的陷波特性，能 够有效地抑制WLAN之间的干扰，是一种性能较好，易于集成，有实用价值的陷波超宽带天线。

    关键词：超宽带（UWB）天线；陷波特性；共面波导（CPW）；U形槽

    中图分类号：TN822+.8 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）01-0021-05

    ABandNotchedCPWUWBAntennawithUShapedSlot

    JITao，LUXindong

    （XianInstituteofElectromechanicalInformationTechnology，Xian710065，China）

    Abstract：Anovelplanarultrawideband（UWB）antennaisproposed，whichhasabandnotched characteristicfortheinterferencebetweentheUWBapplicationsandtheIEEE802.11awirelesslocalarea network（WLAN）.Theproposedantennafedbycoplanarwaveguide（CPW）withabrokenUshapedslot whichcanbeusedtorejectthefrequency5.1to5.9GHz.Thesimulationresultsshowthat，theimped ancebandwidthis9.3GHz（126%）withinthefrequencybandof2.7to12GHz，andtheantennahasob viousbandnotchedcharacteristicsinthenotchedbandwhichcaneffectivelypreventtheinterferenceof WLAN.AlsogoodimpedancecharacteristicandOmnidirectionalradiationpatternsareobtainedoverthe frequencyband.Theperformanceoftheproposedantennashowsthatitisakindofgoodperformance， easyintegration，bandnotchedUWBantennawithpracticalvalue.

    Keywords：UWBantenna；bandnotchedcharacteristic；coplanarwaveguide（CPW）；Ushaped slot

    0 引 言

    自从2002年美国联邦通信委员会（FCC）将 3.1～10.6GHz的超宽带（Ultra-Wideband， UWB）频段划归商业频段[1]，UWB平面天线凭借 其体积小、带宽宽、一定的辐射效率、全向辐射特 性、简单的制作工艺、低成本、易集成和高传输速率等优点成为了通信系统的研究热点[2-4]。

    但是，由于现有IEEE802.11a无线局域网 （WLAN）其频率范围5.15～5.825GHz也在UWB 频带范围内，为避免UWB通信与其相互干扰，需 使UWB系统在WLAN频带上产生阻断，滤除干 扰[5-7]。在传统的超宽带系统应用中，UWB系统 可以利用滤波器滤除这些干扰频段。然而，滤波器 的使用势必会增大UWB系统的复杂性，增加生产 成本，同时受到天线和滤波器的物理性质的限制， 天线和滤波器不可能无限制被超小型化[8]。为了 抑制系统间的干扰而又不提高成本，一种简单而有效的方法就是使UWB天线在WLAN的频段内 呈现较大的反射系数，即具有陷波功能。

    近年来，这种具有陷波功能的小型平面超宽 带天线已经成为一个热门的研究课题。据不完全 统计实现单极子UWB天线的陷波功能有以下几种 方法。一种是在天线的辐射体或者接地板附近引 入一些寄生元件，比如引入C形寄生元件或增加 谐振器等[9-10]；第二种是在辐射体或者接地板上 刻蚀一种或多种不同的槽线来达到陷波功能，比 如在辐射体上刻蚀C形槽，SRR谐振环等[11-12]； 还有一种方法是加载带状线或者枝节来实现陷 波[13-14]。这几种方法都可以达到很好的滤波特 性，并且同在UWB系统中增加滤波器相比较，这 些陷波方法均可使得UWB系统和天线的设计复杂 性变小，利于集成化小型化，且又无需额外的带阻 滤波器。例如，文献[15]就提出了一种5.2GHz刻 槽式SRR谐振环UWB天线，该天线满足所有关键 的要求。然而，阻带频带在5～5.3GHz不能完全 地滤除整个WLAN频段的干扰。文献[16]则提出 了一种具有双阻带特性宽带平面单极子天线，该 天线的带宽范围是2～6GHz，某些情况下难以满 足UWB系统的要求。为此，提出了基于U形槽的 共面波导（coplanarwaveguide，CPW）超宽带平面天 线，以实现3.1～10.6GHz的宽频带和在WLAN 频带上的陷波。

    1 超宽带天线和陷波原理

    1.1 超宽带天线

    文献[17]中提出了一种不带陷波结构的共面 波导超宽带天线结构，如图1所示，该天线可实现 3.0～11.0GHz的宽频带（VSWR≤2），其中接地 板和辐射贴片分别被切去两个角，使之成为一种 渐变结构。这种结构一方面可使天线的谐振从一 个频率平稳地过渡到另一个频率，另一方面通过 增加电流路径，使天线在较宽的频带内都可以获 得很好的阻抗匹配效果[5，18]。

    1.2 天线陷波原理

    UWB天线主要是通过在辐射体或者接地板上嵌入或添加特定形状的结构来改变天线上电流分 布以达到陷波功能。实现UWB天线在干扰频段内 的陷波有多种方法，而开槽是其中最为主要的一 种方法，这种方法被广泛应用主要是因为它能有 效减小天线尺寸，使UWB超宽带天线具有小型化 特性。在辐射体上添加C形槽或T形槽结构，主要 是调节刻槽的长度到半波长，形状的不同只是受 开槽位置和贴片结构的影响。另外，它也可以添加 SRR谐振环来达到陷波，不过谐振环多用于双陷 波或多陷波结构。例如，文献[18]就提出了一种圆 弧形C形槽和两个L形线谐振器的双层介质板结 构的UWB三陷波天线，该天线在2.75～11.4GHz 具有很好的阻抗特性，但其中在5.6～5.94GHz频 带上的陷波只包含了部分WLAN频带。文献[19] 提出了一种在矩形天线一侧开一条窄缝，并在辐 射贴片中心引入一倒U形槽的微带线馈电UWB天 线，该天线在5～5.9GHz实现了陷波。

    为此，在共面波导馈线处引入一U形槽实现 陷波，其结构如图4所示。其中基板材料为FR- 4，相对介电常数εr=4.4，厚度H=1mm，损耗角 正切tanδ=0.02，天线尺寸为L×W=30mm×48 mm。低成本FR4基板使得天线的设计产生了额外 的复杂性，这种复杂性主要是由于不准确的FR4 相对介电常数所引起的，它可以引起工作频率的 些许改变。天线采用阻抗为50Ω的共面波导馈 电。由于天线和馈线在同一平面上，且只有一层单 面金属基板，所以天线是较容易加工和低成本的。 U形槽刻蚀在共面波导馈线上，总长度为L10（L10 =L9+2L8），这里可以通过式（1）来计算出U形槽 的初始设计尺寸。最终所设计的超宽带天线具体 参数如表1所示。

    3.1 U形槽的陷波特性分析

    为了实现共面波导超宽带天线在WLAN频段 处的陷波功能，U形槽被引入到天线之中，以实现 此功能。U形槽的参数对天线的性能有不同的影 响，这部分将主要讨论参数的变化对其陷波特性的具体影响，这些参数分别是：U形槽的总长度 L10，槽底部长度L9，刻蚀槽缝隙宽度W3和U形槽 的位置L6。

    图10是该天线在不同频率4GHz，5.5GHz，7 GHz，7.5GHz和10GHz下的电场E-Plane和磁 场H-Plane的主极化辐射方向图（co-polariza tion）和交叉极化辐射方向图（cross-polarization）。 天线H-Plane的主极化方向图在2.7～7.5GHz 频段内近似为等幅度全向天线，当频率大于7.5 GHz时，方向图边沿不再一直保持最大值，有了小 幅度的凹陷。交叉极化随天线频率的增加而增加， 在7.5GHz附近时变得与主极化几乎等幅度。在 5.5GHz时天线H-Plane的主极化方向图形状几 乎没有变化，但与4GHz和7GHz相比，最大增益 衰减了至少5dB。天线E-Plane主极化方向图在 全波段呈一个近似的“8”字形，与偶极子天线方向 图近似，并且在全波段频率内交叉极化幅度均小 于-20dB。在5.5GHz时天线E-Plane的主极化 方向图形状几乎也没有变化，但与4GHz和7GHz 相比，最大增益同样也衰减了至少5dB。这进一步 表明，该单极子天线在整个工作带宽内满足辐射 一致性的要求。

    图11是该陷波天线的增益图。由图可见，天 线在2.7～12.0GHz频带内，增益从0.6dB到 5.96dB，具有较好的增益特性。且在陷波频段上的增益下降了5dB，天线表现出了明显的陷波特 性，达到了对干扰频段WLAN的抑制作用。

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