基于CSRR的雙陷波超寬帶天線設計與分析

吳小倩，韓 波，徐 彬，龐 雪

（阜陽師范大學 計算機與信息工程學院，安徽 阜陽 236037）

近年來，無線通信技術得到了快速的發展，人們對天線有了許多新的要求。在2002年，聯邦通信委員會把10.6 GHz歸為民用頻段[1]，這使得超寬帶在許多應用中成為一個熱點問題，而超寬帶單極子天線以其成本低、重量輕等長處備受大家的青睞，在許多方面都有所應用[2-4]。但在聯邦通信委員會劃分的超寬帶工作頻帶范圍內還存在一些其他標準的窄帶通信頻率，如WiMAX（3.3～3.8 GHz）和WLAN（5.15～5.85 GHz），這些窄帶通信頻率的使用可能會對超寬帶的應用帶來一些不必要的干擾，影響通信過程中的質量。因此，人們在超寬帶頻帶的使用范圍內會盡可能減少標準窄帶通信頻率的干擾。

把陷波技術使用到超寬帶天線中，可以相對的減少這兩種通信頻率之間的相互干擾。想要做出陷波天線，一是在輻射貼片或饋線或地板上開縫，二是在饋線和輻射貼片的附近加入特定的導體結構[5]。利用不同的輻射貼片的尺寸、形狀、地板位置、大小等來改變天線表面電流流向，增加天線的輻射能力[6]。文獻[7]設計的雙陷波超寬帶天線，是利用了組合圖形的結構實現超寬帶工作頻段，分別在饋電終端和地板側邊添加不同形狀的縫隙結構，實現了WiMAX和WLAN的雙頻陷波特性；文獻[8-9]在天線上刻蝕倒置的T形結構和L形結構來實現陷波特性；文獻[10]在天線的輻射貼片上加入一個長方形條狀結構，實現了陷波頻段。本文設計了一種結構簡單的雙陷波超寬帶微帶天線，實現WiMAX和WLAN波段下的陷波。

1 天線的設計與結構

本文設計了一種基于CSRR（complementary split ring resonator）的結構較為簡單的尺寸為32 mm×28 mm×0.508 mm的雙陷波超寬帶微帶天線，圖1為天線的幾何結構。沿x和y軸方向橫向尺寸分別為A1和A2，天線介質板的材料Fr4，其相對介電常數ε=4.4，損耗角正切tanδ=0.02，天線厚度為h=0.508 mm。

如圖1（a），圓形輻射貼片的直徑為D，微帶線饋線長和寬分別為L和W。圖1（b）所示，地板上刻蝕的對稱矩形缺口大小從中間向右依次分別為b1×b2、1/2b2×1/2b2、b2×1/2b2、3/2b2×1/2b2。這些刻蝕是為了擴大超寬帶的帶寬。為了實現陷波性能，在圓形貼片上嵌入一對C形互補開口諧振環，如圖1（c），合理調節放置的距離可以實現天線的雙陷波功能，環的長度可以利用公式計算出來[11]，實際上具體取值由仿真優化而定，本文中變形的C形諧振環的尺寸依次為C11×C12、C21×C22，雙陷波超寬帶天線的具體參數取值如表1。

表1 雙陷波天線的參數

圖1 天線的設計結構圖

陷波頻率為

式中：f為陷波中心頻率；c是光速；ε是介質的相對介電常數；L是變異C形槽的總長度；文中第二個C形槽的長度也是由此公式計算的。

2 天線的性能

圖2顯示了所提出的天線從圓形單極子天線到雙陷波天線的改善過程。天線1是初始的圓形貼片微帶天線，HFSS仿真后，其頻段只覆蓋了3.54～7.35 GHz，不能滿足超寬帶頻段的帶寬要求。擴大天線的帶寬有多種方法，比如：微帶天線上加載寄生元、刻蝕開槽、修改天線的樣式等；改變天線的電流方向就可以使天線的帶寬發生變化[12-14]。本文采用刻蝕開槽方法，在天線地板上挖去對稱的不同大小的矩形用以擴大天線覆蓋頻段，如圖2（b），天線的頻段覆蓋了3.1～10.6 GHz；諧振環的尺寸和放置的位置對天線的陷波功能有非常大的影響，如圖2（c）所示當天線上只放置一個變形的C形諧振環時，只能把WiMAX的部分頻段過濾掉，取過濾的頻段最大，這時C形環與天線頂端的距離為10.8 mm；如圖2（d）是加載兩個C形諧振環的設計結果，調整C形諧振環的位置，優化部分參數，過濾掉WiMAX和WLAN的頻段，實現天線的雙陷波功能。

圖2 天線的改進過程

圖3為天線1-4的仿真結果，由此可以清晰地看出天線的設計過程中反射系數S11的變化，天線2實現了超寬帶的工作頻段，天線4則實現了雙陷波功能。

圖3 天線反射系數

圖4為天線陷波前、后的電壓駐波比VSWR（voltage standing wave ratio）的仿真結果對比圖，可以清晰的看到天線設計過程中的駐波比變化情況。天線1的VSWR＜2的阻抗帶寬為3.54～7.35 GHz，只覆蓋了超寬帶寬的部分規定值，天線2的VSWR＜2的阻抗帶寬為2.8～11.7 GHz，滿足了超寬帶工作頻段的要求。在天線2的基礎上開一個變形的C形環可以獲得天線3。仿真結果表明，天線3在3.15～4.30 GHz的頻段內VSWR＞2，這個頻段包含了所要抑制的WiMAX頻段。天線4上有一對刻蝕的互補開口諧振環，不僅在3.15～3.86 GHz的頻段內VSWR大于2，而且在5.11～5.83 GHz的頻段內VSWR也大于2，這兩個頻段就是所要抑制的WiMAX頻段和WLAN頻段，同時，整個天線的工作頻率為2.9～11.5 GHz，完全覆蓋了超寬帶陷波天線的帶寬要求。

圖4 天線的電壓駐波比對比圖

圖5是天線工作在3.5、5.5和7.0 GHz時的輻射貼片上電流的分布情況。由圖可看出，在陷波的頻點上，電流會大量集中在天線輻射貼片上的諧振環周圍，當天線工作頻率在3.5 GHz時，電流主要在大的缺口矩形圈的附近聚集；當頻率為5.5 GHz時，電流徘徊在內圈的缺口矩形圈周圍；正是因為如此，才能在特定頻點上造成阻抗的失配[15-17]，從而使得某一頻段的電壓駐波比大于2，則形成陷波。

圖5 貼片表面電流的分布情況

3 天線的參數分析

在原數據保持不變的情況下，對某一特定的數據進行優化，分析其對天線性能的影響。利用HFSS 13.0仿真軟件對天線進行分析優化。圖6～10是在天線某一特定數據改變時，對回波損耗S11的影響情況。

由圖6和7可以看出，隨著變形的C形槽長度C11的不斷增長，對S11的影響情況不大，基本在可變化范圍內。而隨著C22的增長，WLAN波段的陷波中心略有向左移動，整體偏差不大，故本文選擇C11=11.5 mm，C22=8.8 mm。

圖6 C11對S11的影響

圖7 C22對S11的影響

圖8為微帶天線饋線寬度對天線S11的影響情況，由此可以看出，當饋線的寬度增大時，陷波頻段中心也在不斷變化，尤其是在WLAN(wireless local area networks)波段有較為明顯的波動，當寬度W=1.8 mm時，基本上符合文中雙陷波天線的要求。

圖9分析到圓形貼片的直徑大小對天線的雙陷波功能也有影響，當其直徑d為13 mm時不能實現雙陷波功能，但卻縮短了UWB(ultra wide band)的工作頻段，慢慢擴大d，直至d=15 mm時，則達到了天線的雙陷波要求；繼續對天線饋線的長度L進行優化，圖10發現L的長度變短時，天線反而失去了雙陷波的功能，故本文取L=16 mm。

圖8 W對S11的影響

圖9 D對S11的影響

圖10 L變化對S11的影響

圖11 E、H面增益方向圖

圖11是用來觀察天線的輻射特性，是天線在3.5、5.5和7.0 GHz 3個頻點上的歸一化輻射方向圖。由圖可看出，天線在3.5、5.5 GHz時呈現出較好的輻射特性，但當頻率增加到7.0 GHz時，天線的輻射方向圖發生了些許的變化，但不影響整體的輻射特性，得出了天線在H面的輻射方向圖有較好的全向性和在E面的輻射方向圖基本上呈現“8”字型的結論。

4 小結

本文設計了一種結構簡單的雙陷波超寬帶天線。使用圓形的輻射貼片并且挖去部分地板，擴寬超寬帶工作頻段，通過加載一對變形的C形互補開口諧振環來實現WiMAX和WLAN頻段的陷波功能。與文獻[8-9]相比，本文中天線的尺寸較小，結構簡單，VSWR的峰值略高且EH面的畸變情況較小。仿真結果表明天線輻射貼片的直徑、饋線的長度寬度，變形的C形槽的大小等參數對天線陷波功能均有所影響，天線的輻射和陷波特性都表現的良好，基本能達到超寬帶無線通信系統的要求。