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针对超宽带通信与现有的民用通信存在频带交叠的问题，提出一种使用共面波导馈电的具有双陷波特性的超宽带（UWB）天线.通过在共面波导馈电线底面引入2条接地的寄生贴片来实现频段内的双陷波特性.研究结果显示，该天线在3.1~10.6 GHz的频带范围内具有良好的阻抗特性和辐射方向特性，其中在5.15~5.35 GHz和5.75~5.85 GHz范围内具有陷波特性.
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For solving the problem of band overlap between the ultra-wideband (UWB) communication and existing civil communication, a new type of coplanar waveguide fed UWB antenna with Dual band-notched characteristics is proposed. Two parasitic strips on earth plate was applied to realize the band-notched characteristics. The designed antenna operates on the ultra-wideband efficiently, except for the bandwidth of 5.15~5.35 GHz and 5.75~5.85 GHz for wireless local area network application. Research results show that the antenna provides perfect input impedance and pattern properties within 3.1~10.6 GHz.
自从2002年美国联邦通信委员会开放了3.1~10.6 GHz超宽带(UWB，ultrawide band)通信无线电频段的商业许可后，由于超宽带技术的低功耗及高传输速率成为无线通信领域中极具竞争力和发展前景的焦点.作为超宽带系统的重要组成部分，新型超宽带天线的设计[1-3]成为近年来研究的热点.考虑到超宽带通信系统的工作频段内还存在诸如IEEE802.11a(5.15~5.35 GHz)、HiperLAN/2(5.725~5.825 GHz)等其他窄带通信系统，这些无线通信信号会严重干扰UWB系统.很多研究者采用在天线辐射单元或者接地板上进行缝隙加载的结构[4-6]，设计出带有阻带抑制特性的超宽带天线来减小窄带通信对超宽带系统的影响.
笔者提出了加载UWB天线结构，采用平面单极结构，利用共面波导馈电线底面添加接地金属贴片的加载方法实现UWB天线针对无线局域网(WLAN，wireless local area network)系统的陷波特性，同时在通带内，该天线具有良好的辐射方向特性.上述特性使该天线具有很好的应用价值.
1 UWB天线的结构设计UWB天线印制在相对介电常数εr=4.4的FR4介质基板上，介质基板尺寸长×宽×高=35 mm×26 mm×0.6 mm，采用阻抗50 Ω的共面波导进行馈电，天线结构左右对称，正视图如图 1所示.
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图 1 UWB天线正视图 |
金属导带的宽度为WL=1.4 mm，缝隙宽s=0.2 mm，贴片和共面波导之间的间距为h1=1 mm，UWB天线的尺寸如表 1所示.
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表 1 UWB天线尺寸 |
辐射片上开槽是实现带阻特性UWB天线的最常用方法，笔者未采用开槽技术，而是在UWB天线的基础上，采用共面波导馈电线底面添加接地金属条带的加载方法实现WLAN频段的陷波特性.
具有带阻特性的UWB天线背试图如图 2所示，加载金属条带的尺寸计算式为[7]
| $ L = \frac{c}{{4f}}\sqrt {\frac{2}{{{\varepsilon _{\rm{r}}}{\rm{ + }}1}}} $ | (1) |
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图 2 带阻UWB天线背视图 |
其中：c为自由空间的光速，L为加载条带的尺寸，εr为介质的相对介电常数，f为阻带中心频率.计算得到频率为5.25 GHz时对应的加载金属条带尺寸为8.5 mm，考虑谐振金属边沿的电容效应，经过优化，金属条带的谐振长取值8 mm=Wc+La；同理，5.8 GHz时优化后金属条带的谐振长取7.5 mm=Wb+Lb.
为了减少接地销钉数量，将金属条带a和金属条带b通过金属条带c连接起来，短路销钉位于金属贴片c中.底面添加的金属贴片通过短路销钉与共面波导的地相连.带阻UWB天线的尺寸如下：金属贴片a的长度La=6.9 mm，宽度Wa=0.4 mm，金属贴片b的长度Lb=6.4 mm，宽度Wb=0.5 mm，金属贴片c的长度Lc=0.6 mm，宽度Wc=1.1 mm，位于金属贴片c中的短路销钉直径为0.3 mm.
图 3(a)所示为带阻UWB天线实物正视图，图 3(b)为背视图.利用Agilent矢量网络分析仪N5230C对该天线进行了测试，仿真及测试的电压驻波比随频率变化如图 4所示.在2.8~10.8 GHz的频带内，除了针对中心频点为5.25 GHz和5.8 GHz所做的阻带外，其余部分的驻波比均小于2.驻波比曲线也表明了该天线针对5.25 GHz和5.8 GHz所具有的陷波特性.
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图 3 带阻UWB天线实物图 |
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图 4 带阻UWB天线的电压驻波比随频率的变化 |
仿真结果和测试结果基本吻合，同一频点处电压驻波值仿真结果与实测结果的偏差与同轴接头有关；仿真与实测的陷波频率偏差主要取决于天线尺寸加工误差.
对UWB天线在3.1 GHz、7.0 GHz、10.6 GHz的辐射方向图进行分析.其辐射增益方向图如图 5所示，可以看出，在这2个频率加载前后的方向图基本一致，天线的H面辐射方向图为全向辐射，E面为类似8字形，与单极天线的辐射形式相似.
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图 5 带阻UWB天线的辐射特性 |
图 1所示的UWB天线与图 2所示的背面添加寄生条带的带阻UWB天线，在5.25 GHz和5.8 GHz的辐射特性如图 6所示，8字为E面辐射方向图，圆形为H面方向图.
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图 6 带阻频点，天线辐射特性对比 |
在陷波频段，天线的H面增益方向图在各个方向上均呈现出辐射能力减弱的特征：在5.25 GHz，H面辐射减小了1~5 dB，在5.8 GHz，H面辐射减小了2~10 dB. E面增益方向图除了在天线的上顶部和下底部，其余部分也均呈现出辐射能力较弱的特征.
带阻UWB天线在5.25 GHz和5.8 GHz时，表面的电流分布如图 7所示.可见，以5.25 GHz工作时，电流主要集中在金属贴片a上，以5.8 GHz工作时，电流集中在金属贴片b上.
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图 7 带阻UWB天线，表面的电流分布 |
图 8所示为天线加入寄生条带后的增益特性曲线.由图可见，天线在整个工作频段内增益特性良好，在陷波频段增益显著下降，表明天线具有明显的陷波特性，能够有效地对中心频率为5.25 GHz和5.8 GHz的潜在干扰频段进行抑制.
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图 8 带阻UWB天线的增益特性 |
在传统平面单极天线基础上提出了一种新型UWB天线，利用在共面波导馈电线底面添加接地金属条带的加载方法，实现WLAN频段的陷波特性，结果验证了这种新型结构可以满足3.1~10.6 GHz的UWB信号频段，同时可以带阻这一通信频段中的5.15~5.35 GHz和5.75~5.85 GHz，实现了在超宽带内对无线局域网的陷波要求.该天线具有结构简单、尺寸小、易于集成的优点.
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