摘要：設計了一款微帶饋電的具有3．4／5．5 GHz雙阻帶特性的圓盤單極子天線。由于采用具有缺陷結構的地板，天線具有良好的阻抗特性。在2．38～15 GHz的頻帶內電壓駐波比VSWR≤2，可以同時覆蓋WLAN(2．4 GHz)和UWB(3．1～10．6 GHz)。同時引入雙矩形諧振槽，實現在WiMAX(3．4 GHz)和WLAN(5．2／5．8 GHz)的雙阻帶。仿真結果和實驗結果匹配良好，具有一定的實用價值。
關鍵詞：超寬帶；雙阻帶；單極子
超寬帶通信系統由于具有數據傳輸率高、損耗低的特點，受到越來越多的關注。自2002年，美國聯邦通信委員會(US—FCC)批準，將3．1～10．6 GHz頻段作為超寬帶通信技術應用以來，國內外學者對此進行了大量研究。作為超寬帶通信系統的一個重要的前端組成部分，超寬帶天線的設計是一個基礎性的引人關注的課題。在各類天線中，印刷單極子天線以其體積小、易于共型集成的特點表現出良好的寬帶特性。因此，印刷單極天線在超寬帶通信系統(3．1～10．6 GHz)中具有廣闊的應用前景。但是，有許多其他窄帶系統也工作在這一頻段，比如無線局域網(wLAN)IEEE802．11a和HIPERLAN／2LAN工作在5．2／5．8 GHz頻段，除此之外，在許多國家，工作在3．3～3．7 GHz的WiMAX系統也在超寬帶系統的頻段。因此，為了避免這些系統的相互干擾，需要在這些頻段產生陷波來排除干擾，以增強系統的兼容性。在特定的頻帶內產生阻帶以克服干擾的頻率陷波天線已經被大量研究，比如：在天線上采用對稱倒L型槽，圓環形槽，H型槽以及縫隙型的SRR結構來產生陷波。盡管如此，大部分天線僅僅克服了WLAN系統的干擾。在文獻中第一次提到了雙阻帶超寬帶天線，它可以克服3．4～3．48 GHz和5．4～5．98 GHz的頻段。然而，由于阻帶帶寬較窄，沒有完全克服WLAN和WiMAX頻段的干擾。
為了解決上述問題，提出并設計了一款緊湊的印刷單極天線，它可以同時克服WLAN和WiMAX頻段的干擾。通過調節輻射貼片上雙矩形槽的尺寸，可以方便地獲得雙阻帶特性。同時，天線具有良好的阻抗匹配特性，可以同時覆蓋2．4～2．5 GHz和超寬帶頻段。由于采用了微帶線饋電，天線易于集成和小型化。利用Ansoft-HFSS對天線進行仿真，并詳細分析了天線尺寸參數對天線性能的影響。
1 天線設計與結構
天線結構如圖1(a)所示，尺寸為37 mm×42 mm×1．5mm。
圓盤的半徑為R=10 mm。為了引入雙阻帶，在圓盤輻射單元上蝕刻了雙同心矩形槽，矩形槽的寬度T都是0．5 mm，如圖1(b)所示。矩形槽的長度在很大程度上決定了阻帶的中心頻率。外槽的尺寸為L1，L2和W1，內槽的尺寸為LL1，LL2和W2。在內矩形槽的兩臂上有兩個對稱枝節，其長度為Wg。同時，為了擴展阻帶帶寬，內矩形槽延伸到了外矩形槽兩臂的間隙之間。
微帶饋線寬度為2．6 mm，特性阻抗50 Ω。微帶線與其他器件采用SMA連接器進行連結。采用缺陷地板結構(DGS)可以很好地實現阻抗匹配以覆蓋2．4 GHz和UWB頻段，輻射貼片單元與地板的間隙為0．3 mm。
利用商業仿真軟件Ansoft—HFSS對天線進行了仿真優化。優化后的天線尺寸為L1=15 mm，L2=2 mm，W1=3．5mm，LL1=8 mm，LL2=3 mm，W=2．6 mm，Wg=1．4 mm。天線設計在1．5 mm厚的FR4介質板上，相對介電常數為4．4。圖2是設計天線的實物圖，如圖3所示，電壓駐波比(VSWR)的測量值與仿真值吻合良好。
2 分析設計與結果
用基于有限元的電磁仿真軟件Ansoft—HFSS對天線進行仿真，用安捷倫網絡分析儀測量天線的電壓駐波比。測量和仿真的電壓駐波比如圖3所示。可以看出，測量和仿真結果吻合良好。阻抗帶寬(VSWR≤2)覆蓋2．3～15 GHz，完全覆蓋了2．4～2．5 GHz和超寬帶頻段，并且在3．2～3．8 GHz和5．1～5．9 GHz的頻帶上具有良好的阻帶特性。
設計中，首先研究了如圖4所示的單極子天線，它采用矩形接地板，具有良好的寬帶特性，但是體積較大為50 mm×42mm。為了減小天線尺寸，而保持其超寬帶特性，采用缺陷地板結構如圖5所示。圖6所示的文獻中天線和采用缺陷地板結構天線的駐波特性，比較可以看出，文獻中的天線具有較好的超寬帶特性，但是采用缺陷地板結構的天線具有更好的阻抗匹配，天線帶寬可以覆蓋2．4 GHz和整個超寬帶頻帶(3．1～10．6 GHz)，甚至可以達到15 GHz。
為了獲得阻帶特性，在圓盤單極子天線中引入矩形槽，槽的尺寸L1=15 mm，L=2 mm，W1=3．5 mm，天線的電壓駐波比隨頻率的變化情況如圖8所示，可以看出天線在WiMAX頻段(3．4～3．7 GHz)具有較好的阻帶特性。為了避免WLAN頻段(5．2／5．8 GHz)的干擾，需在超寬帶中引入雙阻帶。因此，在圓盤單極子天線的矩形槽中引入第2個矩形槽，其尺寸為LL1=8 mm，LL2=3 mm，W1=2．6 mm，Wg=1．4 mm，并且將內槽延伸到外槽兩臂的間隙之間如圖9所示。雙矩形槽圓盤單極子天線的駐波特性隨頻率的變化情況如圖10所示，可以看出，在2．3～15 GHz的頻段內具有良好的駐波特性，并且在WiMAX(3．2～3．8 GHz)和WLAN(5．1～5．9 GHz)頻段具有阻帶特性。
為了進一步研究天線的結構，對天線參數進行了分析。阻帶特性主要由W1，Wg，LL1，W2決定，各種不同的阻帶可以通過適當的改變雙矩形槽的尺寸來獲得。圖11所示的天線輻射單元在不同頻率的電流分布，可以看出，第一(3．5 GHz)和第二(5．5 GHz)阻帶分別與外槽，內槽的尺寸有關系，即外槽改變了天線低頻的電流分布狀況，形成低頻阻帶；而內槽改變了天線高頻的電流分布，形成高頻阻帶。如圖12所示，在其他參數不變時，隨著W1從2．5 mm增大到4．5 mm，第一阻帶想低頻移動。參數Wg，W2主要決定第二阻帶，如圖13，14所示Wg和W2對天線性能的影響。在其他參數不變的情況下，隨著Wg和W2的減小，第二阻帶分別向低頻和高頻移動。圖15表明，LL1對天線的第二阻帶的帶寬具有重要影響。因此，雙矩形槽的尺寸對改變天線阻帶的位置和阻帶帶寬具有重要的意義。通過改變雙矩形槽的尺寸可以方便地在不同的頻帶內實現阻帶和改變阻帶帶寬。
最后，研究了天線的遠場輻射方向圖。圖16分別給出了天線在3 GHz，6 GHz，9 GHz時的遠場增益方向圖，表明設計的天線在H面(yoz面)具有全向輻射特性，并且所有的方向圖變化相對較小。
3 結束語
設計并制作了一副緊湊的印刷圓盤單極子超寬帶天線，它可以完全覆蓋2．4 GHz和超寬帶頻段，并且在WiMAX(3．2～3．8 GHz)和W1AN(5．1～5．9 GHz)頻段具有雙阻帶特性。天線的駐波特性和遠場輻射方向圖表現出良好的特性。仿真和測量結果具有較好的一致性，吻合良好。因此，所設計的天線在超寬帶通信系統中具有一定的實用價值。