小型化陷波超宽带天线研究与设计

摘要

超宽带(Ultra-Wideband)是一种无线载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据信号。UWB通信具有传输速率高、安全性高、多径分辨能力强、平均发射功率低等优点。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。近年来，随着超宽带通信的快速发展，对于其关键技术之一的超宽带天线也提出了如下要求：良好的时域和频域特性、天线体积小、易于共形、成本低廉。此外，为了避免与已有各民用频段(主要针对5.15GHz～5.85GHz)产生干扰，要求超宽带天线同时具有陷波特性。
　　 本文根据超宽带通信对天线的要求，在分析和总结目前国内外超宽带天线研究现状的基础上，设计了两种类型UWB天线，并进行了仿真研究和实验验证。
　　 首先设计了基于微带馈电具有三角形缝隙的梯形印制单极超宽带天线，天线尺寸仅为30mm×30mm。采用矩形接地面时，该天线的阻抗带宽为3.0GHz～10.8GH。为拓展阻抗带宽，把上述天线的接地面改成阶梯形结构，经过优化后，其阻抗带宽达到2.8GHz～11.76GHz，而天线的面积保持不变。在分析天线对UWB脉冲信号的影响后，利用五阶微分高斯脉冲激励，仿真表明该梯形天线在阻抗带宽范围内产生良好的线性相频特性。
　　 以上述阶梯接地面梯形天线为原形，设计了三款具有陷波特性的超宽带天线，分别是在辐射元上添加缝隙谐振器、在微带馈线上添加缝隙谐振器和在辐射器背面添加三角形寄生导带环所形成的陷波超宽带天线。实验结果表明，三款天线都能有效地实现带阻功能，抑制5.15GHz～5.85GHz干扰频段，但相对而言，采用缝隙谐振器结构的性能更佳。
　　 为了减小微带馈线可能产生的色散效应，并进一步拓展阻抗带宽，采用共面波导馈电，设计了带V形槽的椭圆形印制单极超宽带天线，其接地面的上侧边采用椭弧形。最后天线的尺寸为40mm×35mm，阻抗带宽达到2.73GHz～28.68GHz，并且具有线性相频特性和稳定的阻抗特性。
　　 以上述的椭圆形天线为原形，分别采用接触寄生臂、非接触寄生臂和矩形缝隙谐振坏三种结构，以实现天线对干扰频段的陷波功能。仿真和实验结果都表明，三款天线的阻抗特性都表现出良好的带阻特性，但对于增益抑制而言，带矩形缝隙谐振环天线的抑制性能更佳，达8dB。经过五阶微分高斯脉冲激励，表明该陷波天线具有良好的时域特性，满足超宽带通信系统的要求。