代天瑶

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

超宽带(Ultra Wideband，UWB)无线技术作为一种新的无线通信技术，越来越受到人们的重视。UWB是一种具有抗干扰性能强、系统容量大、发送功率小、传输速率高等优点的无载波通信技术。按照美国联邦通信委员会的规定， 3.1～10.6 GHz之间的频段划分为超宽带系统使用的范围。然而在超宽带通信频段范围内依然存在着一些窄带通信系统[1-6]。滤波器和天线作为射频前端电路最重要的两个无源元器件，一直是学者们研究的热点和重点。传统的滤波天线设计方法仅仅考虑了器件本身的性能，通过级联匹配网络，并没有从整体范围进行考虑。若将天线与滤波器集成设计成为滤波天线，可使天线同时具有辐射和滤波功能[7-8]，有效减小三维封装的尺寸和面积，进一步实现无线通信系统的小型化。

目前发表的文献中已提出大量单阻带及双阻带天线，然而三阻带天线甚至具有更多阻带的天线依然较少。本文基于结构简单的圆形单极子天线实现超宽带特性，同时引入耦合馈电、贴片开槽技术实现了三阻带的超宽带滤波天。该天线可同时避免WIMAX、WLAN以及卫星通信频段对超宽带通信系统的干扰[9]，具有较好的带宽和辐射性能，且生产成本较低。

1 超宽带滤波天线实现方法

文中通过引入超宽带单极子天线，微带馈线引入谐振器、贴面开槽技术、互补开口谐振环实现了超宽带滤波天线。

微带印刷天线[10]由于体积小、剖面薄、成本低、易集成于电路等诸多的优点得到了广泛研究和应用。它的工作原理是天线在通过同轴线馈电后，其上表面和地板之间将存在电势差，周围会产生电场分布，并且随着电场变化感应出相应的磁场，继而产生电磁波。因此本文选择了结构简单的微带印刷线路板来制作超宽带单极子天线。

天线通过微带线馈电，并在微带馈线的两边加有两个C型金属环，金属环可以通过耦合作用，将经过天线的电磁信号吸引过来，从而产生了滤波效果。C型环的长度大约为四分之一波长，作用相当于四分之一波长谐振器。

CSRR结构[11]是由两个开口方向相反的同心圆所组成。图1为CSRR结构图及CSRR等效电路图。CSRR具有超材料的性质，可以产生负的磁导率。CSRR谐振时可以产生阻带效应，这一特性常常被应用在滤波器的设计之中。本文就是基于CSRR的这一阻带特性，通过在天线辐射贴片上蚀刻两个大小不等，方向相反的圆形CSRR环，使辐射天线产生了陷波特性。

图1 CSRR结构及等效电路图

通常，CSRR的总尺寸大约为陷波处中心频率所对应的半波长，即

(1)

(2)

式中,Lc是CSRR的总周长，εeff是介质板的有效介电常数，c是光速，fnotch是所需陷波的中心频率点频率，开槽的总体长度根据式(1)和式(2)进行计算。

2 超宽带滤波天线结构设计

2.1 天线结构

本文提出的超宽带滤波天线，采用FR4介质板，微带介电常数εr=4.4，损耗正切tanδ=0.02，介质板厚度h=0.8 mm。天线顶层是通过Y型微带线耦合馈电[12-15]到辐射贴片单元，地板上刻蚀有矩形槽，环形贴片上刻蚀圆形互补开口谐振环CSRR。天线的大小尺寸为28 mm×36 mm，电流通过馈电端口进入到微带线L，随后耦合到地板上的矩形槽内部，由于矩形槽上面刻蚀了C型槽口能产生某频率的滤波作用，之后电流再耦合到微带线L4上面，最后进入到环形天线辐射贴片。由于辐射器上面刻蚀了CSRR结构，能产生负的磁导率，CSRR谐振时能产生两个频段的滤波作用，最终实现超宽带三阻带滤波性能。图2为天线的结构示意图。

图2 超宽带滤波天线结构图

2.2 天线设计尺寸

天线经过HFSS软件[16]扫描优化后，得到最终尺寸结果，如表1所示。

表1 天线优化后的尺寸数据 /mm

3 仿真结果与实测性能分析

3.1 回波损耗及电压驻波比

为了验证所设计的天线的实用性和有效性，根据图2中的天线设计加工了天线实物，图3给出了天线原型实物图。

图3 滤波天线实物图

使用Rohde&Schwarz公司ZVB4矢量网络分析仪对UWB三阻带天线的回波损耗和驻波比进行测量，得到仿真实测结果。图4为超宽带滤波天线回波损耗的HFSS仿真结果和矢量网络分析仪的测试结果。从图中可看出在频率范围3～8 GHz内，超宽带滤波天线回波损耗均小于-10 dB，在中心频率点3.5 GHz(WIMAX频段)、5.5 GHz(WLAN频段)以及7.5 GHz(卫星通信频段)处，产生了明显的阻带作用，且阻带带宽较宽。天线的驻波比仿真实测曲线图如图5所示，天线在宽带范围内的驻波比均小于2，阻抗特性匹配良好。天线的仿真结果和实测结果基本吻合，偏差由天线加工制作的过程中的误差、SMA接头焊接误差及介质基板质量等原因造成。结果说明该天线满足了需要的设计效果。

图4 天线回波损耗曲线

图5 天线驻波比曲线

3.2 天线方向图与增益

超宽带滤波天线具有比较宽的带宽，为了保证天线在通带范围内，各个频点都具有良好的全向辐射特点，本文分析了3.1 GHz、4.5 GHz以及6.5 GHz3个频点的方向图，如图6所示。从上述方向图可以看出，超宽带滤波天线的平均增益约为4.5 dB，天线的H面均具有较好的全向性和一定的稳定性特点。

图6 不同频点处的方向图

天线的阻带频点方向图如图7所示，在中心频率为3.5 GHz、5.5 GHz和7.5 GHz处，增益约为1.5 dB，有显著的下降，说明在这3个频段处，天线具有三阻带的特性。

图7 阻带内频点方向图

4 结束语

本文是基于超宽带单极子天线改造成的超宽带滤波天线。引入耦合馈电方式和CSRR结构，得到的带宽为3～8 GHz，并且产生了3个阻带，滤除了通信干扰频段。天线通过HFSS软件仿真，通过仿真数据可以看到S参数、驻波比及辐射特性方向图均满足最初的设计要求。该款天线尺寸较小、频带宽，阻带较多，相互之间容易产生影响，降低了天线的有效增益[17]。实验结果表明，天线符合UWB天线的性能指标要求，在UWB通信系统中有着良好的应用前景。