Compact UWB Antennas With Dual Band-notched Characteristics

 本文提出了一种具有带阻（band-notch）特性的共面波导馈线（CPW-fed）、超宽带天线。该天线由宽缝隙（slot）、叉状（fork-like）辐射贴片的共面波导地线（CPW ground）组成，是一个带调谐短截线（stub）和50Ω CPW-fed的结构。通过在叉状贴片中间插入一个带调谐短截线获得了阻带（notched band）频率。阻带频率可以通过调整短截线的长度来控制。实验和数值模拟结果表明，所提出的天线具有21 mm×28 mm的小巧体积，VSWR小于2的阻抗，带宽范围从3.1~10.9 GHz，以及5~6 GHz的WLAN预期阻带频率。

 随着现代无线通信的发展，超宽带（UWB）系统最近备受关注，因为其具有高速数据、体积小、成本低和复杂性低等自身优势。超宽带系统的天线在接收和发射超宽带辐射方面起着重要的作用。很多种类的UWB天线已出现在这些应用当中，如曲线形（spline-shaped）天线1、菱形天线2,3、环形天线4、蝶形天线5,6、三角贴片天线7和宽缝隙天线8,9。不过，一个在5~6 GHz范围工作的WLAN使用的窄带要在所需的UWB带宽内共存。UWB天线在5~6 GHz范围需要一个阻带来减少潜在的干扰。最近，已有几个具有频率带阻（frequency band-rejection）功能的UWB天线提出10-12。提出的天线大多有一个复杂的结构且带阻不可调。在另一个设计中，一个小方形单极天线在辐射贴片中采用了两个倒U型槽，而在地平面采用了一个H形槽13，实现了双阻带的特点。不过，其结构复杂，设计有一定难度。这里讨论了一个好设计采用短截线、具有带阻特性14，工作带宽范围从3.1 GHz~10.6 GHz以上，电压驻波比（VSWR）小于2，而针对WLAN应用的阻带预期频率为5.12~6.08 GHz。天线尺寸很大，有一个非可调阻带。此外，先前提出的天线一直在削减辐射贴片或地面的各种缝隙。

 在这篇文章中，提出并详细研究了具有可调谐带阻和良好特性的CPW-fed超宽带天线。该天线包含一个有宽缝隙的CPW地线、一个叉状辐射贴片、一个短截线和50WCPW-fed结构。通过在叉状辐射贴片的两个分支之间插入一个短截线，实现了阻带随频率的变化。该天线从3.06~10.9 GHz的阻抗带宽为111.4％，具有良好的阻抗匹配，实现了近似恒定的增益。它也具有5~6 GHz的WLAN应用的阻带频率。该天线已经制造出来并进行了测量。提出的UWB天线的频率特性、电流分布、辐射模式和增益的数值模拟和实验结果已提交供大家讨论。

 天线设计

图1显示了提出的有叉状辐射贴片和可调短截线的阻带天线的几何形状和结构。天线的印刷在相对介电常数为2.65，损耗因数为0.002和厚度为1.6 mm的基板上。天线的尺寸为21 mm×28 mm，采用50WCPW的馈电结构。它由一个有宽缝隙的CPW地线（长度L1 = 15 mm，宽度W1 = 16.8 mm）、一个叉状辐射元件（与叉的两个分支之间的距离为8 mm）、一个短截线（长度L2 = 7 mm，宽度W2 = 1 mm），以及50WCPW CPW馈线结构组成。50W CPW CPW馈线结构包括宽度W4 = 1.4 mm的微带信号带（microstrip signal strip）和CPW地线，后者与微带信号带有一定的间隙（s = 0.3 mm）。Ansoft High Frequency Structure Simulator（HFSS）基于有限元法（FEM）的v.11.0使用了所有尺寸。

图1：提出的天线几何尺寸（a）和天线照片（b）。

参数研究

在设计中，CPW地线和叉状辐射元件之间的距离，以及短截线的尺寸在阻带频率和阻抗方面发挥着重要作用。那么，需要考虑短截线的长度L2和宽度W2，以及CPW地线和叉状辐射元件g之间的距离来优化提出的UWB天线。图2显示了L2为各种值的VSWR与频率对比的仿真结果。短截线长度L2对带阻的中心频率有明显的影响。短截线的长度增加，谐振频率的中心就会移到较低的频率。通过增加短截线的长度，阻带的带宽也会加大。这是由于在叉状辐射元件和短截线之间的耦合，以及短截线的谐振。在这个设计中，可以从方程1推测出谐振频率13：

其中L为短截线的总长度，在这里被描述为L2，ere是有效介电常数，c是光速。根据方程1，设计之初就决定了短截线的长度，然后可以针对最终设计调整。

图2：VSWR与频率是L2的函数。

（图字）频率（GHz）

短截线宽度W2的效果如图3所示。随着短截线宽度的增加，阻带频率的中心略有移动，阻带的带宽几乎没有改变，而增加天线的阻抗带宽，这是由叉状辐射贴片和短截线之间的容性和感性变化引起的。

图3：VSWR与频率是W2的函数。

（图字）频率（GHz）

图4显示了CPW地线和叉状辐射元件之间的距离g的效果。天线的阻抗越来越大，阻带的带宽扩大了，同时带阻的中心略有改变。这是由于在CPW地线和叉状辐射元件之间的耦合效应和电容及电感的变化。

图4：VSWR与频率是g的函数。

（图字）频率（GHz）

在5.5 GHz未调整短截线和3.5 GHz调整短截线前提下提出的天线的仿真电流分布，5.5和9 GHz的计算分别如图5a、5b、5c和5d所示。从图5a可以看出，电流主要在CPW-fed结构和叉状贴片上流动，而在地线周围很小。3.5和9 GHz的电流分布如图5b和d所示，主要是沿宽缝隙在CPW地线、CPW馈线结构和叉状辐射贴片中流动。相反，在图5c中，电流分布围绕带调谐短截线和CPW馈线结构。因此，表面电流可能激发阻带频率。

图5：天线的电流分布。

结果与讨论

为了评估设计的天线，提出的天线进行了优化。优化参数如下：L = 28 mm，W = 21 mm，L1 = 15 mm，W1 = 16.8 mm，L2 = 7 mm，W2 = 1 mm，W3 = 1.4 mm，m = 10.8 mm，g = 1.2 mm，W4 = 1.4 mm，s = 0.3 mm，h = 1.6 mm，叉的两个分支之间的距离为8 mm。该天线已经制作出来，并使用上述的参数进行了测试。测量结果是用HP8757D网络分析仪及放置在暗室的天线获得的。该天线带和不带调谐短截线的VSWR如图6所示。无需调整短截线，该天线就可以覆盖整个UWB频段。该天线似乎也能满足VSWR＜2的UWB（3.1~10.6 GHz）应用，同时抑制了用于WLAN应用的5~6 GHz。仿真值与实测值之间的差异可能由于天线制造和至CPW馈线过渡（transition）SMA连接器的尺寸误差，其中包括了测量，但没有考虑到计算结果。在3.5、6.5和9.5 GHz测得的辐射模式如图7所示。结果表明，该天线在H平面和E平面的准全向性模式下可以带来近似全向性的特性。带调谐和不带短截线的天线的增益如图8所示。根据需要，在5.5 GHz附近增益大幅降低，阻带的增益下降到-4.6 dBi。

图6：该天线的VSWR与频率。

图7：该天线的辐射模式。

图8：该天线的增益与频率。

结论

具有带阻特点的CPW馈线超宽带天线适用于UWB应用。带阻频率是通过在叉状辐射贴片中间使用带调谐短截线获得的。天线进行了成功的优化、制作和测试。结果表明，该天线不仅有带阻特性，而且还具有良好的辐射模式。该天线还具有紧凑的尺寸，仅为28 mm×21 mm×1.6 mm，这使之具备了UWB应用的吸引力。

鸣谢

本文得到了中国国家自然科学基金的部分资助（No.60902014）。

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Cheng-yuan Liu于2006年获得了中国哈尔滨工程大学电子与信息工程学士学位，以及电磁场与微波技术硕士学位。他是中国哈尔滨工程大学的博士研究生。其研究兴趣主要集中在微波理论、UWB天线和UWB滤波器。276-279。

Ying-song Li于2006年获得了中国哈尔滨工程大学电子与信息工程学士学位，以及电磁场与微波技术硕士学位。他是中国哈尔滨工程大学的博士研究生。其研究兴趣主要集中在微波理论、电磁兼容性和微波天线设计。

Tao Jang于1994年获得了中国哈尔滨工程大学电气工程学士学位，1999年获得信息和信号处理硕士学位，2002年获得通信与信息系统博士学位。2003年，他曾在中国哈尔滨工业大学担任博士后研究员，2004年在新加坡国立大学在担任研究员。他是中国哈尔滨工程大学的教授。其研究兴趣主要是在计算电磁学、微波工程、无线电波传播和导航及EMC。

Xiao-dong Yang于1985年获得中国哈尔滨科技大学电气工程学士学位。他在1991年和1995年分别获得日本Meisei大学硕士学位和博士学位。之后他加入了日本日立公司通信系统设计部门。在1999年，他在日本Meisi大学先进技术研究中心担任研究员。自2000年以来，他一直在中国哈尔滨工程大学电子科学与技术工程研究中心工作，担任教授。其研究兴趣主要是微波理论、电磁兼容性和天线设计。