基于阻隔WLAN 的可控陷波UWB 天线的设计

基于阻隔WLAN 的可控陷波UWB 天线的设计
作者：孙硕魏亚东李鹏
来源：《中国新通信》 2018年第3期
【摘要】文章提出一种新型的平面天线，通过对微带线、辐射区、以及接地板的相关参数进行优化，拓宽了天线的工作带宽，可用频带范围为3.8~12GHz。

通过在辐射区的合适位置处
刻蚀一个U 形狭槽，使得天线在5.2~5.8GHz 处出现陷波，阻隔WLAN 信号，通过调节辐射区
的面积大小可以改变陷波频段中心点频率的位置，从而实现超宽带陷波频段的可调性。

与此同时，天线表现出良好的辐射全向性。

【关键词】陷波特性超宽带全向辐射
引言
由于超宽带（3.1~10.8GHz）中存在其他波段的应用，例如无线局域网频段
（5.2~5.8GHz）, 微波互联网络（3.4~3.6GHz），军用雷达C 波段（3.7~4.2GHz）等均在超宽
带频段的范围内。

由于波段的重叠，势必会对通信造成不同程度的干扰。

那么为了屏蔽超宽带
与这些较窄的频带之间的通信干扰，具有陷波特性的超宽带天线的研究就必不可少。

而产生陷波的形式也有很多种，例如在辐射贴片上开槽，引入寄生贴片，或添加匹配枝节
等等，使天线在特定频段产生较大的反射系数，从而实现陷波。

本文提出的新型微带天线通过
在辐射贴片上刻蚀一“U”形狭槽，并调整接地板的形状，使得天线在实现陷波与超宽带的同时，可以全向辐射。

一、天线的设计与结构
本文设计共形全向天线如图1 所示，天线的结构较为简单，由接地板、微带线、辐射贴片
以及馈电结构组成，介质板采用相对介电常数为3 的RF-30，天线的整体尺寸为40mm×35mm× 1.575mm。

对于辐射区的面积单元一般采用规则形状，例如矩形，圆形等。

该天线采用椭圆形辐射贴片，可获得比圆形、矩形较高的效率和带宽。

另外优化时可调整性更大。

接地板附着在整
个介质板的底部，并在其中央刻蚀一个椭圆形槽和三个矩形槽，易于天线的辐射。

在设计天线时，首先要考虑微带线的阻抗匹配问题，阻抗匹配不好，会导致天线辐射能量无法输出，形成
较大的反射系数。

通常采用的50Ω 微带线的阻抗匹配公式如下：
其中w 为微带线宽度，f0 为天线的中心工作频率，C 为光速，εr 为介质的相对介电常数。

除此之外，也可以使用相关软件，计算得到微带线的宽度。

而近几年的研究也证明了影响
天线性能的因素有很多种，主要有辐射贴片的尺寸与形状，缝隙的长度与宽度等等。

通过HFSS 建立模型，并进行优化，得到最优参数
L0=40mm,w0=35mm,L1=8.2mm,w1=4mm,L2=6mm,L3=6.1mmR0=8mm,r0=6.5mm,w2=2mm,R2=12mm,r2=9.
6mm。

二、天线的仿真结果与分析
天线的仿真结果是由HFSS 呈现的，根据图2（左）可以看出，天线的频率从3.8~12GHz
处其VSWR 完全处于2 以下，属于超宽带的范畴，另外，频率在5.1~5.8GHz 存在较大的反射
系数，阻隔了WLAN 信号。

一些研究[1] 表明通过改变天线辐射区的匹配枝节可以有效控制陷
波出现的位置。

利用HFSS 分别对辐射区参数R0=7mm，R0=8mm 和R0=9mm进行仿真，从图2（左）中可以看出，天线的带宽并没有受到严重的影响，但其陷波出现的位置发生了偏移。

可
见天线谐振点也在随R0 的变化也在变化，由此，可以通过对参数R0 来调节陷波出现位置，从而实现陷波位置的可调节性。

从图2（右）可以看出，天线具有全向辐射的特性以及良好的对
称性。

另外，E 面天线的增益为3dB，H 面天线增益可达2.5dB，由此可得出天线增益状况良好。

结论：为了有效抑制超宽带系统与窄带系统之间的干扰而设计的新型陷波天线，通过在辐
射贴片上加载U 形槽，从而实现其陷波特征。

利用HFSS 电磁仿真软件分析了U 形槽以及椭圆
形辐射贴片的半径R0对天线带宽以及陷波的影响，得出天线在 3.8~12GHz 处具备超宽带特性，并在5.1~5.8GHz处表现出陷波特性，阻隔了WLAN 信号，通过调节辐射区面积的大小可调节陷
波出现的位置，实现陷波的可调性。

仿真验证该天线具备全向辐射性，尺寸较小，其设计方案
可用于超宽带的无线通信应用中。

参考文献
[1] 姜兆能[1,2], 李晓阳[1], 瞿晨[1], 孙芳[1], 阚运鹏[1],. 一种新型八边形可控双陷波天线的分析与设计[J].合肥工业大学学报：自然科学版,2017,40(8)。