2021年第40卷第4期传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)
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DOI ： 10.13873/J. 1000-9787(2021)04-0023-03
*收稿日期=2019-09-27
*基金项目：国家自然科学基金资助项目(61674122)
梁青打王超打苏正东J 熊伟彳
(1.西安邮电大学电子工程学院，陕西西安710121 ；2，西京学院理学院，陕西西安710199)
摘要：为避免窄带信号对超宽带(UWB)系统的干扰，设计了一种蝶形六陷波超宽带天线。采用改进型
地板结构来扩展带宽，通过在蝶形辐射贴片、微带馈电和地板上分别刻蚀U 形和I 形缝隙，以及在微带馈
电两侧和地板上分别添加对称的L 形窄带枝节和准开口谐振环(SRR)来实现天线六陷波特性。分析了天 线陷波产生的原理，研究了天线部分尺寸参数对陷波的影响。通过仿真分析，该天线在2.8-11.4 GHz 频 段内，可有效抑制窄带系统的干扰，天线尺寸为32 mm x24 mm xl.6m m ，结构较为紧凑，可广泛应用在各 种UWB 通信系统。
关键词：六陷波；开口谐振环；U 形缝隙；I 形缝隙；L 形枝节
中图分类号：TN823 文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2021)04-0023-03
Design and research of butterfly UWB antenna with six band-notched characteristic *
UANG Qing 1, WANG Chao 1 , SU Zhengdong 1, XIONG Wei 2
(1・ School of Electronic Engineering ,Xi ' an University of Posts and Telecommunications ,Xi * an 710121, China ；
2・ School of Science , Xijing University , Xi ' an 710199, China )
Abstract : In order to avoid the interference of narrowband signals to ultra wideband ( UWB ) systems , a butterfly six band-notched UWB antenna is designed ・ Expanded bandwidth with improved floor structure , U-shaped slits and
I-shaped slits are respectively etched on the butterfly radiation patch , the microstrip feed , and the floor , and adding
symmetric L-shaped narrow-band branches and split resonant ring( SRR) on both sides of the microstrip feed and
the floor to realize the antenna six notch characteristics ・ The principle of antenna notch generation is analyzed , and the influence of antenna size parameters on notch is studied. Through simulation analysis , the antenna can
effectively suppress the interference of narrow-band systems in the frequency range of 2.8 ~ 11.4 GHz. The antenna size is 32 mm x24 mm xl. 6 mm,and the structure is relatively compact ・ It can be widely used in various
UWB communication systems.
Keywords : six band-notched ； split resonant ring(SRR) ； U-shaped gap ； I-shaped gap ； L-shaped branch
接地电缆0引言
自美国联邦通信委员会(FCC)于2002年发布了将
3.1 GHz 至 10. 6 GHz 频段用于超宽带(ultra wideband,
缘114UWB)通信，并将其用于商业应用中的UWB 通信频段以
来山，由于其数据传输的高速性和多径干扰的良好抗干扰
能力，使得UWB 通信的研究领域受到了极大的关注。至
此,UWB 通信技术被认为是最有研究价值的技术之一。然
而由于窄带通信频段的存在，使得UWB 系统在工作时，窄 带通信频段可能会对UWB 通信系统产生干扰。如全球微
波互联网WiMAX(3.3 ~3. 7 GHz)频段、无线局域网WLAN
下行(5.725-5.825 GHz)频段、C 波段卫星下行链路(7.25 ~ 7. 75 GHz)频段、国际电信联盟ITU(8. 025 ~8.4 GHz)频段
和部分无线电导航(9~14CHz)频段等。因此，研究具有多
陷波特性的UWB 天线具有重要意义⑵。
自具有陷波功能的天线被美国Saxena A 等人在2003年
提出以来，国内外学者提出了多种方法设计具有陷波特性
的UWB 天线。如在辐射贴片和地板上刻蚀几何形状的缝
隙⑶，以及在天线表面添加窄带谐振枝节“⑵等。文献［6］ 通过在微带馈电上刻蚀准互补开口环(complementary split
resonant ring,CSRR)缝隙，设计了一种可以实现避免(4.8 ~ 5.6 GHz )和(7.2 -7.8 GHz)频段干扰的双陷波UWB 天线。
文献［7］提出一种新型具有三陷波的UWB 天线，通过在圆
24传感器与微系统第40卷
形贴片上刻蚀开口谐振环(splil resonant ring,SRR)缝隙和
移动感应器
在微带馈线上刻蚀Z形缝隙以及两侧添加SRR实现陷波功
油田加药装置能。目前大多文献中提岀或设计的天线以双陷波、三陷波和
四陷波为主，对于多个陷波的天线设计较少。
本文设计了一种蝶形六陷波天线，通过在蝶形辐射贴
片、微带馈电和地板上分别刻蚀U形和I形缝隙，以及在微
带馈电两端和地板上分别添加对称的L形窄带枝节和开口
谐振环，实现了六陷波特性。该天线在2.8-11.4GHz频段
内，可有效避免多窄带信号的干扰，具有很好的实用价值。
1天线结构设计
天线的几何结构如图1所示，主要由蝶形辐射贴片和
改进型地板组成，通过添加窄带谐振枝节和刻蚀缝隙，设计
出完整的六陷波天线。对于刻蚀的几何缝隙和添加的谐振
枝节尺寸大小计算，有下面经验公式⑻
L='厂
£r+1⑴(2)
式中c为自由空间中的光速,£为陷波处的频率，氏为介质基板对应的等效相对介电常数。通过仿真软件对尺寸进 天线和微带馈线印制在厚度为1.6 mm，介电常数为4.4的FR4介质基板上，总体尺寸为32mm x24mm，天线主要参数如表1所示。
表1天线结构的主要参数mm
L W h讷V lg cl
3224 1.6 3.51414.54
c2c3c4c5c6s si
0402封装26 3.2410.20.4
Zd2wdl lai Ikl wkl dl d2
96 3.7 4.8214
d3rt rl r3we le
90.756293
2陷波原理与分析
2.1陷波产生的原理
天线中实现陷波特性方式包括：在辐射单元或者馈电中刻蚀缝隙、在天线表面引入窄带谐振结构和在地板上引入谐振结构。
在天线中引入谐振结构，调整谐振结构与天线辐射贴片的距离，从而使两者产生耦合。利用耦合谐振单元的方法来改变辐射片上的表面电流流向，从而达到频带抑制的作用。由于添加的窄带谐振单元通常是陷波中心频率对应波长的1/2，因此，也可以说是串联了半波长的谐振器。刻蚀几何槽的原理与添加谐振枝节实现陷波功能相似，通过在辐射贴片适当位置刻蚀几何槽线，使几何槽线两边电流的方向相反，从而实现频带抑制。而被抑制的频带带宽及中心频率值由槽孔的尺寸决定，改变槽孔的长度和宽度可以改变被抑制的频带的带宽和中心频率值。长度等效为其谐振频率的半波长，通过调节长度，就可获得特定频率的陷波，实现带阻效果。由式(1)、式(2)得出，陷波中心频率的大小与缝隙或谐振枝节的尺寸大小成反比关系。下面通过调节缝隙和谐振枝节尺寸验证陷波中心频率与尺寸大小的关系。
2.2陷波特性分析
为了更深刻了解几何缝隙和谐振枝节尺寸对天线陷波特性的影响，选取部分尺寸进行优化。由于WiMAX和ITU 频段的陷波是分别由添加谐振枝节和刻蚀缝隙产生的，因此，文中对加和蚀刃进行仿真分析，结果如图2所示。
(a)ttl(b)wd\
图2/好和wdl不同长度对陷波频率的影响图2(a)是微带馈电上U形缝隙长度Ikl的变化对陷波频率的影响，由图可见,U形缝隙使得天线在ITU波段产生陷波，并且陷波中心频率随着弘1的增大而降低。当Ikl
=4.6mm时，陷波中心频率在8.5GHz左右；当Ikl增大到5.0mm时，陷波中心频率降低到7.8GHz左右。图2(b)是SRR外环宽度尺寸的变化对陷波频率的影响，由图可见,SRR外环谐振枝节使得天线在WiMAX波段产生陷波，并且陷波中心频率随着似/1的增大而降低。当wdl=18.0mm时，陷波中心频率在3.5GHz左右；当wdl 长度增大到18.4mm时，陷波中心频率降低到3.25GHz左右。由此可见，陷波中心频率随着缝隙和谐振枝节的尺寸变化而变化。当尺寸增大时，陷波中心频率降低；当尺寸减小时，陷波中心频率升高，陷波中心频率与缝隙和谐振枝节尺寸成反比关系，满足式(1)的物理关系。
根据陷波产生原理得出，
当天线工作频率在陷波中心
第4期梁 青，等：蝶形六陷波超宽带天线设计与研究
25
频率处时，天线的辐射主要在产生该陷波的缝隙处或者谐 振枝节表面。为验证以上结论，利用软件仿真分析得到如 图3所示的天线表面电流分布情况。在3.5 GHz 时，天线
的主要辐射介质基片下方的SRR 外环谐振枝节处;8 GHz 时，天线主要辐射在U 微带馈电U 形缝隙处，满足上述所
述辐射关系。
表2本文天线与同类陷波UWB 天线对比方法带宽/GHz
尺寸/mm 陷波个数文献［5］
2.5 ~10
50.0 X50.0
3
文献［6〕
2.0 -12.5
3& 5 X46.4
2
文献［7］ 3.2 ~11
26.0 X30.03文献［8］
2.4 -12.825.0 X30.02本文
2.8 -11.4
32.0 X24.0
6
(a) 3.5 GHz (b)8GHz
4结论
图3 3.5,8GHz 时电流分布
3仿真结果与分析
利用电磁仿真软件HFSS15. 0对天线仿真分析，仿真
结果如图4所示，在(3・24 ~3・65) GHz , (4・35 ~4・63) GHz ,
(5.55 ~6・ 04) GHz, (6. 4 ~6・ 7) GHz, (7・ 08 4) GHz,
(8. 7〜10.3) GHz 频带内电压驻波比VSWR 大于2 ,S n 大于 -10dB，天线实现了六陷波特性。同时，天线的相对带宽
达到121 % o 图5所示为天线分别在3,5,9 GHz 的增益方 向图，方向图在低频时基本对称，增益良好。高频时，由于
频率的增加和高频带阻滤波器的存在，使天线阻抗和馈电 线的阻抗发生不完全匹配，以至天线的增益
方向图发生变
化。该天线在其通带内辐射基本良好，具有较好的全向性。
通过对比本文所设计的六陷波天线和同类的具有陷波特性
的UWB 天线，对比数据如表2所示。
(a)天线回波损耗仿真曲线(b)天线驻波比仿真曲线
图4仿真结果
330
-20-270-20 -2400
90120210 180(a) 3 GHz 300 "
—E-Planc —H-Plane 60300 /
270240* 0- -20 . -40- -20 -
downlinker0-090
120
2,0 180
(b) 5 GHz
一E-Plane —H-Plane 600 -
-6 - -12-
-12- -6 -0-270
300
90—E-Planc ―H-Plane 60210 180(c)9GHz
图5 3,5,9GHz 时增益方向图
本文设计了一种蝶形六陷波UWB 天线，通过在蝶形 辐射贴片、微带馈电和地板上分别刻蚀U 形和I 形缝隙，以 及在微带馈电两端和地板上分别添加对称的L 形窄带枝节
和准开口谐振环来实现天线六陷波特性。同时天线在
2.8-11.4GHz 满足UWB 要求，并且有良好的方向图和增 益，该天线具有良好应用前景和使用价值。参考文献：
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作者简介：
梁 青(1966-)，女，硕士，教授，主要研究领域为无人机自组网。
王 超(1995-)，男，通讯作者，硕士研究生，研究方向为超宽 带天线理论与设计,E-mail : chao_7584285@ 163. com 。
熊 伟(1965-)，男，博士，教授，主要研究领域为无线传感器
网络。
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