吴小倩，韩 波，徐 彬，庞 雪

（阜阳师范大学 计算机与信息工程学院，安徽 阜阳 236037）

近年来，无线通信技术得到了快速的发展，人们对天线有了许多新的要求。在2002年，联邦通信委员会把10.6 GHz归为民用频段[1]，这使得超宽带在许多应用中成为一个热点问题，而超宽带单极子天线以其成本低、重量轻等长处备受大家的青睐，在许多方面都有所应用[2-4]。但在联邦通信委员会划分的超宽带工作频带范围内还存在一些其他标准的窄带通信频率，如WiMAX（3.3～3.8 GHz）和WLAN（5.15～5.85 GHz），这些窄带通信频率的使用可能会对超宽带的应用带来一些不必要的干扰，影响通信过程中的质量。因此，人们在超宽带频带的使用范围内会尽可能减少标准窄带通信频率的干扰。

把陷波技术使用到超宽带天线中，可以相对的减少这两种通信频率之间的相互干扰。想要做出陷波天线，一是在辐射贴片或馈线或地板上开缝，二是在馈线和辐射贴片的附近加入特定的导体结构[5]。利用不同的辐射贴片的尺寸、形状、地板位置、大小等来改变天线表面电流流向，增加天线的辐射能力[6]。文献[7]设计的双陷波超宽带天线，是利用了组合图形的结构实现超宽带工作频段，分别在馈电终端和地板侧边添加不同形状的缝隙结构，实现了WiMAX和WLAN的双频陷波特性；文献[8-9]在天线上刻蚀倒置的T形结构和L形结构来实现陷波特性；文献[10]在天线的辐射贴片上加入一个长方形条状结构，实现了陷波频段。本文设计了一种结构简单的双陷波超宽带微带天线，实现WiMAX和WLAN波段下的陷波。

1 天线的设计与结构

本文设计了一种基于CSRR（complementary split ring resonator）的结构较为简单的尺寸为32 mm×28 mm×0.508 mm的双陷波超宽带微带天线，图1为天线的几何结构。沿x和y轴方向横向尺寸分别为A1和A2，天线介质板的材料Fr4，其相对介电常数ε=4.4，损耗角正切tanδ=0.02，天线厚度为h=0.508 mm。

如图1（a），圆形辐射贴片的直径为D，微带线馈线长和宽分别为L和W。图1（b）所示，地板上刻蚀的对称矩形缺口大小从中间向右依次分别为b1×b2、1/2b2×1/2b2、b2×1/2b2、3/2b2×1/2b2。这些刻蚀是为了扩大超宽带的带宽。为了实现陷波性能，在圆形贴片上嵌入一对C形互补开口谐振环，如图1（c），合理调节放置的距离可以实现天线的双陷波功能，环的长度可以利用公式计算出来[11]，实际上具体取值由仿真优化而定，本文中变形的C形谐振环的尺寸依次为C11×C12、C21×C22，双陷波超宽带天线的具体参数取值如表1。

表1 双陷波天线的参数

图1 天线的设计结构图

陷波频率为

式中：f为陷波中心频率；c是光速；ε是介质的相对介电常数；L是变异C形槽的总长度；文中第二个C形槽的长度也是由此公式计算的。

2 天线的性能

图2显示了所提出的天线从圆形单极子天线到双陷波天线的改善过程。天线1是初始的圆形贴片微带天线，HFSS仿真后，其频段只覆盖了3.54～7.35 GHz，不能满足超宽带频段的带宽要求。扩大天线的带宽有多种方法，比如：微带天线上加载寄生元、刻蚀开槽、修改天线的样式等；改变天线的电流方向就可以使天线的带宽发生变化[12-14]。本文采用刻蚀开槽方法，在天线地板上挖去对称的不同大小的矩形用以扩大天线覆盖频段，如图2（b），天线的频段覆盖了3.1～10.6 GHz；谐振环的尺寸和放置的位置对天线的陷波功能有非常大的影响，如图2（c）所示当天线上只放置一个变形的C形谐振环时，只能把WiMAX的部分频段过滤掉，取过滤的频段最大，这时C形环与天线顶端的距离为10.8 mm；如图2（d）是加载两个C形谐振环的设计结果，调整C形谐振环的位置，优化部分参数，过滤掉WiMAX和WLAN的频段，实现天线的双陷波功能。

图2 天线的改进过程

图3为天线1-4的仿真结果，由此可以清晰地看出天线的设计过程中反射系数S11的变化，天线2实现了超宽带的工作频段，天线4则实现了双陷波功能。

图3 天线反射系数

图4为天线陷波前、后的电压驻波比VSWR（voltage standing wave ratio）的仿真结果对比图，可以清晰的看到天线设计过程中的驻波比变化情况。天线1的VSWR＜2的阻抗带宽为3.54～7.35 GHz，只覆盖了超宽带宽的部分规定值，天线2的VSWR＜2的阻抗带宽为2.8～11.7 GHz，满足了超宽带工作频段的要求。在天线2的基础上开一个变形的C形环可以获得天线3。仿真结果表明，天线3在3.15～4.30 GHz的频段内VSWR＞2，这个频段包含了所要抑制的WiMAX频段。天线4上有一对刻蚀的互补开口谐振环，不仅在3.15～3.86 GHz的频段内VSWR大于2，而且在5.11～5.83 GHz的频段内VSWR也大于2，这两个频段就是所要抑制的WiMAX频段和WLAN频段，同时，整个天线的工作频率为2.9～11.5 GHz，完全覆盖了超宽带陷波天线的带宽要求。

图4 天线的电压驻波比对比图

图5是天线工作在3.5、5.5和7.0 GHz时的辐射贴片上电流的分布情况。由图可看出，在陷波的频点上，电流会大量集中在天线辐射贴片上的谐振环周围，当天线工作频率在3.5 GHz时，电流主要在大的缺口矩形圈的附近聚集；当频率为5.5 GHz时，电流徘徊在内圈的缺口矩形圈周围；正是因为如此，才能在特定频点上造成阻抗的失配[15-17]，从而使得某一频段的电压驻波比大于2，则形成陷波。

图5 贴片表面电流的分布情况

3 天线的参数分析

在原数据保持不变的情况下，对某一特定的数据进行优化，分析其对天线性能的影响。利用HFSS 13.0仿真软件对天线进行分析优化。图6～10是在天线某一特定数据改变时，对回波损耗S11的影响情况。

由图6和7可以看出，随着变形的C形槽长度C11的不断增长，对S11的影响情况不大，基本在可变化范围内。而随着C22的增长，WLAN波段的陷波中心略有向左移动，整体偏差不大，故本文选择C11=11.5 mm，C22=8.8 mm。

图6 C11对S11的影响

图7 C22对S11的影响

图8为微带天线馈线宽度对天线S11的影响情况，由此可以看出，当馈线的宽度增大时，陷波频段中心也在不断变化，尤其是在WLAN(wireless local area networks)波段有较为明显的波动，当宽度W=1.8 mm时，基本上符合文中双陷波天线的要求。

图9分析到圆形贴片的直径大小对天线的双陷波功能也有影响，当其直径d为13 mm时不能实现双陷波功能，但却缩短了UWB(ultra wide band)的工作频段，慢慢扩大d，直至d=15 mm时，则达到了天线的双陷波要求；继续对天线馈线的长度L进行优化，图10发现L的长度变短时，天线反而失去了双陷波的功能，故本文取L=16 mm。

图8 W对S11的影响

图9 D对S11的影响

图10 L变化对S11的影响

图11 E、H面增益方向图

图11是用来观察天线的辐射特性，是天线在3.5、5.5和7.0 GHz 3个频点上的归一化辐射方向图。由图可看出，天线在3.5、5.5 GHz时呈现出较好的辐射特性，但当频率增加到7.0 GHz时，天线的辐射方向图发生了些许的变化，但不影响整体的辐射特性，得出了天线在H面的辐射方向图有较好的全向性和在E面的辐射方向图基本上呈现“8”字型的结论。

4 小结

本文设计了一种结构简单的双陷波超宽带天线。使用圆形的辐射贴片并且挖去部分地板，扩宽超宽带工作频段，通过加载一对变形的C形互补开口谐振环来实现WiMAX和WLAN频段的陷波功能。与文献[8-9]相比，本文中天线的尺寸较小，结构简单，VSWR的峰值略高且EH面的畸变情况较小。仿真结果表明天线辐射贴片的直径、馈线的长度宽度，变形的C形槽的大小等参数对天线陷波功能均有所影响，天线的辐射和陷波特性都表现的良好，基本能达到超宽带无线通信系统的要求。