具有带陷功能的超宽带微带天线设计
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引言
UWB天线与传统的窄带天线相比有很多新的特点。信号源产生一定形状的短脉冲并将其馈入超宽带天线，天线要将脉冲信号无失真地辐射出去，因为频域内任何一个频点的失真都会使得接收到的信号脉冲产生不同程度的失真。所以，UWB天线的特征有别于一般的微带天线。此外，FCC规定民用UWB的-10dB带宽范围为3.1~10.6GHz，在此频段内天线的增益、波瓣方向图、驻波比等参数应在允许的波动范围内。
对于UWB天线的设计，虽然与普通的微带天线的设计方法有所不通过，但是宽带化和小型化的理论是通用的。文献[3-4]通过将贴片单元集成天线阵列，从而达到拓展带宽的目的，但是很显然，阵列结构会占据很大的空间，对于高要求的终端设备这种设计达不到要求。由于UWB天线的超宽带特性，为了避免与传统窄带间的干扰，故而又产生了一些特殊的带陷要求。
近年来，人们试图从时域、频域、空间编码等各个方面寻求方法来以解决它们之间的干扰问题。具体来讲，所采取的主要措施有脉冲波形设计、平滑PSD、窄带干扰抑制算法等。但是这些方法，大都是通过设计脉冲波形或者接收机装置来回避UWB与其它窄带通信的干扰，这样的方案最终实现起来是比较复杂的。另外一种常用并且比较简单的方法是采用陷波设计，如文献[5]就采用这种方法设计了一种蝶形天线。但是这种方案会给系统造成额外的开销，因此对于小系统来讲也不是最理想的。最直接的方法就是在超宽带天线上增添附加的结构直接实现带陷功能。本文将应用这种方法设计认知无线电射频前端的超宽带天线。所以，本文设计的天线既实现了宽带和带陷的功能，而且还满足了人们对新型天线的平面化，小型化，且易于加工的要求。下面我们以平面单极天线为基础来设计所需的天线。
UWB天线的设计
平面单极天线的大小主要是由频带低端值决定的，对于规则平面辐射言，要求驻波比不大
于2且可以通过简单的圆柱体模型计算天线能够达到的最低频点。如图1所示，将圆柱体沿母线切开，可得到
其实，这个表达式只是一个天线模型的原始理论表达式，天线的最终结构尺寸还要根据所设计的具体结构参数来调整，并加以优化。由文献[6]可知，馈点间隙g对天线性能的影响很大。随着g的减小，介质上表面的辐射贴片和下表面微带接地板之间的电容性增大，这将导致阻抗不匹配。此外，相对于宽度a，矩形贴片的长度h对天线低频点的影响更大。
HFSS天线仿真与分析
通过计算，仿真中心频率设为6.85GHz，选介电常数εr=2.94的Rogers RT/ duroid 6002为天线介质基板且基板尺寸为26×28×1mm3。这符合天线结构小型化的设计初衷。天线的三维结构图如图2所示。
基板上表面是大小为22×15.1×0.05mm3的理想介质辐射贴片。根据微带线计算工具，选择εr=2.94，介质基板厚度h=1mm，辐射贴片厚度t=0.035mm，扫描中心频率f =6.85GHz。天线采用50Ω微带线馈电，相应的馈线宽度为2.52mm。仿真结果如图3所示，天线的-10dB范围在3～9.4GHz之间，与FCC对超宽带天线带宽规定相比还有一定的差距。
下面通过在原有的结构上挖槽的方法来拓展带宽，以达到FCC对超宽带天线的带宽规定。结构如图4所示，天线尺寸为13.6×9×0.035mm3。增加这种槽陷结构可以等效为引入了阻抗匹配元件，所以通过匹配可以达到展宽带宽的效果。图5给出了槽线天线的回波损耗曲线。很明显，阻抗带宽已经展宽并可以覆盖3.1～10.6GHz 且S11曲线的最低值接近了-40dB。
图6分别给出了频点为3 GHz，
5GHz和9GHz的E面和H面方向增益曲线图。这三个频点总体上可以将这个频带内的方向图特性表示出来。可以看出，天线基本实现了频带内的全向性。由于图5所示S11曲线中9GHz附近的回波损耗不够低，这导致了9GHz处的H面方向图增益不是很理想。
我们还可以通过天线的另一重要参数驻波比VSWR来观察天线在频带内的特性。由图7可知，此天线在整个频带内的驻波比都小于2，并且在扫频中心处的驻波比接近1，这说明其性能是比较好的。
根据前面分析过的干扰问题我们来设计具有带陷功能的天线，以实现在3-4GHz和5-6GHz频段内的带阻功能，避免与传统窄带通信系统相互干扰。
首先，在槽内对称地嵌入两个不规则的矩形贴片，其长臂尺寸为1×8×0.035mm3，短臂尺寸为1.5×6×0.035mm3，中间连接部分尺寸为4.8×0.6×0.035mm3。接下来，在接地板上引入缺陷接地结构[9-10]。缺陷接地结构（DGS）是指在微带或共面波导接地板上刻蚀出一定图案的“缺陷”结构，这相当于改变传输线的有效电感和有效电容，进而改变等效电路参数，使DGS结构的微带线具有慢波或者带阻特性。根据这一思想，在接地板上挖两个相互连接的矩形槽，以实现天线的带阻特性。图8显示了天线的三维结构。
观察图9所示的S11曲线，可以发现在3～4GHz和5～6GHz之间实现了带阻特性。此外，在9GHz附近出现了新的谐振点，这降低了该频段内的回波损耗。
图10显示的3GHz，5GHz和9GHz
频点上的方向图增益曲线，实现了比较理想的全向性。此特性也可以通过图11所示的3D图形观察得到。
从下面的VSWR曲线图中可以看到在3～4GHz和5～6GHz频带内出现了两个驻波比超过2的峰值，这实现两个频带内的带阻。
结束语
本文在
Ansoft HFSS环境下设计了超宽带天线，实现了在3.1～10.6GHz范围内回波损耗小于-10dB，驻波比小于2的要求。该天线可用于认知无线电射频前端，且同时为了减小与窄带通信间的干扰，我们改变了贴片结构并引入了缺陷接地结构，最终实现了3～4GHz和5～6GHz频段的带阻功能。此外，该天线结构简单，便于制作且基本实现了小型化。