摘要 提出了一種新型的具有三陷波特性的超寬帶印刷天線。大錢形的輻射貼片和共面波導(dǎo)傳輸線饋電，可以保證在相當(dāng)寬的3個(gè)頻帶內(nèi)具有良好的阻抗匹配?；夭〒p耗S11<-10 dB的阻抗帶寬是3．1～10.6GHz，除了其中3．3～3.7 GHz的WIMAX，5．15～5．825 GHz的WIAN和7．25～8.4 GHz的X波段下行頻段3個(gè)陷波頻段。這些陷波的頻段可以通過(guò)在天線的輻射貼片上增加長(zhǎng)條裂縫和U形縫隙實(shí)現(xiàn)。加工和測(cè)試結(jié)果表明，該天線具有很好的阻抗帶寬和全向輻射方向圖。
關(guān)鍵詞 超寬帶天線；陷波特性；小型化；無(wú)線通信

    美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)于2002年規(guī)范統(tǒng)一商業(yè)應(yīng)用中的帶寬要求為3．1～10．6 GHz，這使得超寬帶技術(shù)在工業(yè)和學(xué)術(shù)界中的應(yīng)用變得備受矚目。為避免超寬帶通信系統(tǒng)中的其他頻段的相互干擾，例如工作頻帶內(nèi)還存在諸如無(wú)線局域網(wǎng)等其他的通信系統(tǒng)，多種具有陷波特性的超寬帶天線被廣泛研究和設(shè)計(jì)出來(lái)。
    可以通過(guò)在超寬帶天線上腐蝕不同的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)陷波特性。多種結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)這一功能，如在貼片上腐蝕U形和C形縫隙。然而眾多設(shè)計(jì)的天線都僅覆蓋了一個(gè)窄帶頻段，多數(shù)適用于無(wú)線局域網(wǎng)中5 GHz頻段。還有部分天線具有雙陷波特性。
    文中提出了一種帶有三陷波特性的共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線。輻射貼片為大錢形狀，通過(guò)在其表面腐蝕U形縫隙和長(zhǎng)條裂縫，可以獲得3個(gè)陷波頻段。

1 天線的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)
    具有三陷波特性的超寬帶天線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。天線腐蝕在介電常數(shù)為4.4和厚度為1．6 mm的FR4介質(zhì)板上。共面波導(dǎo)傳輸線與地板的間隔是W3、寬度是W4，特性阻抗是50 Ω。共面地板大小是L2×W2，提供了良好的阻抗匹配。天線的尺寸是36mm×30 mm×1．6 mm。為引入三陷波特性，在馬蹄形天線表面蝕刻了U形縫隙和長(zhǎng)條裂縫。上部的U形縫隙實(shí)現(xiàn)了WiMAX的3．3～3．7 GHz頻段的陷波功能，同樣的下部U形縫隙實(shí)現(xiàn)了7．25～8．4 GHz頻段的陷波功能，而兩條裂縫實(shí)現(xiàn)了WLAN的5．15～5．825 GHz頻段的陷波功能。

    原始天線具有良好的超寬帶特性，在充分考慮整體尺寸的前提下，合適地選擇大錢形貼片和共面地板的大小來(lái)保證天線的阻抗匹配特性。而在貼片上面蝕刻縫隙或者裂縫，可以切斷輻射貼片上的表面電流，使得縫隙或者裂縫周圍的電流重新分布，形成了陷波特性?？紤]在介電常數(shù)4．4時(shí)，陷波結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度約為陷波頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1／4，考慮縫隙和裂縫之間的耦合，在初始值附近進(jìn)行一定的優(yōu)化就可得出設(shè)計(jì)天線的具體從參數(shù)。
    使用3D電磁仿真元件HFSS 11．0對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了仿真，經(jīng)過(guò)加工調(diào)試天線的尺寸如下：L1=36mm，L2=16mm，L3=14mm，L4=15mm，L5=
17mm，L6=4．8mm，L7=11 mm，L8=6mm，L9=8．5mm，L10=8．4mm，L11=2．6mm，W1=30mm，W2=9mm，W3=0．5mm，W4=3mm，W5=0．4mm，W6=
0．4mm，W7=0．5mm，W8=2．5mm，R1=10mm。

2 結(jié)果分析
    圖2給出了三陷波超寬帶天線回波損耗的HFSS仿真結(jié)果圖和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果圖。從回波損耗可以看出超寬帶天線滿足通信系統(tǒng)中對(duì)于超寬帶頻帶的要求，并且可以看出設(shè)計(jì)的天線有3．1～3．9 GHz，5．15～5．9 GHz和7．2～8．9 GHz的3個(gè)陷波頻段。測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果有著良好的吻合。

    設(shè)計(jì)的天線初始模型是沒(méi)有腐蝕縫隙的大錢形單極子天線，其本身有著良好的寬頻帶特性和相對(duì)小的面積。為觀察裂縫和縫隙的陷波功能，給出了初始天線和3個(gè)天線的回波損耗仿真結(jié)果圖，這3個(gè)天線依次移除了上部的U形縫隙，垂直的長(zhǎng)條裂縫和下部的U形縫隙。如圖3所示，可以看出其各自的陷波特性。當(dāng)長(zhǎng)條裂縫或U形縫隙移除時(shí)，相應(yīng)的陷波頻段也移除了，并且對(duì)于另外的陷波頻段沒(méi)有太大的影響。

    為進(jìn)一步研究陷波結(jié)構(gòu)，對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行了分析。其中上部U形縫隙的參數(shù)是長(zhǎng)度L7，L9和寬度W7，長(zhǎng)條裂縫的參數(shù)是長(zhǎng)度L10和寬度W6，下部U形縫隙的參數(shù)是長(zhǎng)度L6，L5和寬度W5。設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)寬度基本可以決定陷波帶寬，合理地選擇使得陷波帶寬滿足要求即可；而長(zhǎng)度基本決定陷波的中心頻率。圖4給出了不同長(zhǎng)度對(duì)于陷波頻段的影響。天線的陷波頻段可以通過(guò)改變裂縫或者縫隙的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整，可以看出增加L9，L10或L6的長(zhǎng)度，相應(yīng)的陷波頻段會(huì)向低頻方向移動(dòng)，并且另外的陷波頻段并沒(méi)有大幅變化。

    4．5，5．5和6．5 GHz的E面和H面的測(cè)試輻射方向圖如圖5所示。在4．5和6．5 GHz，E面方向圖和單極子的輻射方向圖相似，然而在5．5 GHz由于陷波特性使得E面方向圖發(fā)生了部分畸變，并沒(méi)有上述兩個(gè)頻點(diǎn)的方向圖效果好。H面方向圖接近全向，有著良好的全向輻射特性。

    最后給出了整個(gè)工作頻段的峰值增益圖。3個(gè)陷波頻段的最小增益分剮是2．2 dBi，2．4 dBi和2．9 dBi。出現(xiàn)的頻率也正如預(yù)期的出現(xiàn)在3．5 GHz，5．5 GHz和8．0 GHz處。

3 結(jié)束語(yǔ)
    文中提出了一種新型的帶有三陷波特性的超寬帶的天線，并且給出了仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明天線滿足超寬帶3．1～12 GHz頻帶的要求，通過(guò)在大錢形貼片上腐蝕兩個(gè)長(zhǎng)條裂縫和兩個(gè)U形縫隙，使天線具有3個(gè)陷波頻段，即3．4 GHz，5．5 GHz和8．0 GHz的窄帶范圍具有良好的陷波特性，抑制了通信系統(tǒng)相關(guān)頻段對(duì)于UWB系統(tǒng)的潛在干擾。文中設(shè)計(jì)的天線在超寬帶通信系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。