近年來，隨著無線通訊產品的普及，超寬帶技術的發展，人們對天線的帶寬提出了越來越高的要求。自2002年，聯邦通訊委員會(FCC)通過決議允許把3.1-10.6 GHz頻段應用于商業領域，具有高數據傳輸率、低成本、低功耗和抗干擾能力強的UWB通信系統得到了迅速發展。應用于UWB通信系統終端的天線必須具有如下特點：如線性的相位響應，全向的輻射方向圖，平穩的增益。因此，超寬帶天線的設計成為了UWB系統的主要挑戰之一。平面印制天線，如矩形，圓形，橢圓形，蝶形單極子，偶極子等，具有寬頻帶、低色散、低損耗、低剖面、重量輕、易于制作、價格低廉等優點，已廣泛應用于UWB通信系統。而采用CPW饋電的平面印制天線具有易于和有源、無源器件的串并連接，易于MMIC的集成化，有利于阻抗匹配和提高增益。然而這個頻段包括了無線局域網(WLAN)5.2 GHz和5.8 GHz的工作頻段，為了避免與無線局域網之間的干擾，就需要具有在5～6 GHz的頻帶內加入帶阻特性。因此，具有帶阻特性的UWB天線受到了廣泛的關注研究。

　　文中提出了一種結構簡單的，新型共面波導饋電的具有帶阻特性的平面單極子超寬帶天線。該天線是在輻射單元上開矩形寬縫隙，然后加入一個矩形微帶調諧支節，從而獲得良好的帶阻特性。通過仿真，研究了天線的工作特性，結果表明，該天線的工作頻帶為2.49～14.53 GHz，其中5～6 GHz頻帶內具有很好的帶阻特性。同時在整個工作頻帶內具有良好的全向輻射方向圖，因而具有一定的使用價值。

　　1 天線原理與結構設計

　　天線的結構，如圖1所示，天線制作在相對介電常數為

　　1.1 天線初始結構的計算

　　對于單極微帶天線，可利用圓柱體近似法計算出低點的諧振頻率，即VSWR最先<2的頻率點。文中是通過正方形輻射貼片的等效轉換，最終推導出低點諧振頻率與半圓形輻射貼片半徑的關系式，即

　　可得

　　一般地L取為

　　參數F記為

　　由式(3)，式(4)可得

　　所以低點的頻率fL可以寫成

　　通過面積等效原理并假設W=L，則得到

　　其中fL的單位是GHz;L，R，r的單位是mm。利用UWB通信系統的低點諧振頻率fL=3.1 GHz，可以計算出單極子天線的初始半徑R=15.8 mm。該半徑用于HFSS建模仿真，隨后可以通過改變半徑來獲得較大的帶寬和較高的增益。

　　1.2 天線阻帶特性的設計

　　由于貼片電流主要集中在靠近接地板的下半部分，為了獲得帶阻特性，通過仿真軟件參數分析優化發現，在距離輻射貼片底邊1 mm處開寬矩形縫隙并且加入調諧支節，調諧支節與輻射單元周圍的間距為0.5 mm，并通過寬度為1 mm的微帶線相連接。矩形調諧支節的長度為Ls，寬度為Ws。其基本原理就是在天線結構里引入需要抑制頻率的“LC諧振回路”，通過改變微帶支節的長度和寬度，相當于改變了構成回路的LC值，從而影響了需要抑制的中心頻率和相應的阻帶頻帶寬度。文中通過軟件仿真，驗證了這種結構的合理性，即相當于引入了相應頻率上的帶阻濾波器，使得該中心頻率上天線的阻抗特性變差。

　　2 天線優化與參數分析

　　利用電磁仿真軟件HFSS對天線的性能進行了分析，從而確定天線的基本尺寸。為了達到天線結構的小型化和超寬帶特性，通過仿真優化，最終確定的天線基本尺寸為：天線總體大小W×L=50×35 mm2，接地板下邊寬度Wmax=22.67 mm，接地板上邊寬度Wmin=3 mm，接地板高度Lg=16 mm，輻射貼片與接地板上邊間距s=0.8 mm。

　　2.1 天線工作頻帶的分析

　　為了抑制WLAN系統的干擾，通過在輻射金屬片上加入矩形調諧支節，從而使天線具有陷波特性。由于輻射單元的電流主要沿著貼片邊緣分布，而接地板的電流則集中分布在接地板的上邊緣，所以在距離輻射貼片底邊1 mm處開寬矩形縫隙，并加入調諧支節。天線回波損耗隨頻率變化的仿真結果，如圖2所示，可以看出，天線在2.49～14.53 GHz范圍內回波損耗S11≤-10 dB，但在4.9～5.92 GHz頻段時天線回波損耗S11>-10 dB，這表明該天線具有帶阻特性，從而減少了系統間的干擾。

　　文中對影響天線性能的主要參數進行了分析研究，在保持其它參數不變的情況下，分別改變調諧支節的長度和寬度使回波損耗產生不同的變化。圖3所示為回波損耗隨調諧支節長度變化的曲線圖，可以看出當長度逐漸增加時阻帶的中心頻率會向頻率低端移動，而阻帶頻率寬度在Ls=1 mm，2 mm時基本不變，如進一步增加支節長度則阻帶帶寬顯著增加。

　　從圖3中還可以看出，調諧支節長度對總體工作頻帶的高端頻率的影響，隨著長度的增加，高端頻率有所下降，帶寬有所減小。天線的輸入端回波損耗隨調諧支節寬度的變化曲線，如圖4所示，隨著調諧支節寬度的增大，阻帶的中心頻率逐漸減小，阻帶帶寬也明顯加寬而對總體的工作頻帶幾乎沒有影響。這主要是因為寬度的改變并沒有顯著改變輻射貼片的電流流向。由此可見，可以通過優化調諧支節的長度和寬度來達到滿足要求的阻帶帶寬范圍。

　　2.2 天線輻射方向圖

　　由于超寬帶通信技術的實際使用，要求天線在一個平面上具有全向的輻射特性，阻抗帶寬并不一定就是方向圖帶寬。所以，文中對天線的輻射方向圖進行了仿真分析。圖5給出了天線在f1=3.92 GHz，f2=6.83 GHz，f3=9.56 GHz的E面，H面的輻射方向圖。由圖可以看出，由于調諧支節的加入，在高頻端E面的方向圖有所畸變，但在在整個工作頻帶內還是比較穩定的。而H面方向圖在要求的3.1～10.6 GHz頻段內幾乎是全向性的，并且幾乎沒有出現旁瓣，結果表明該天線在超寬帶通信的工作頻帶內具有較穩定的方向圖。

　　3 結束語

　　文中提出了一種新型CPW饋電，具有帶阻特性的UWB天線，通過在貼片上開矩形寬縫隙，然后加入矩形調諧支節，成功抑制了與WLAN系統的電磁干擾。天線優化后的工作頻帶寬度為2.49～14.53 GHz，在5 GHz附近形成了4.9～5.92 GHz的阻帶特性，并且在整個工作頻帶內具有較穩定的全向輻射方向圖。天線具有平面印制結構，低剖面，尺寸小，易于與有源無源電路集成等優點，因此是一種性能較好，具有一定的使用價值的超寬帶天線。