Ibrahim Fortas, M’Hamed Bougara University, Boumerdes, Algeria, Mouloud Ayad, University of Setif, Algeria, and Bachir Zoubiri, Division Telecom, Center for Development of Advanced Technologies - CDTA, Algeria

一种具有更好频率抑制特性的紧凑型超宽带（UWB）贴片天线的创新设计在贴片几何形状中集成了双椭圆结构，由共面波导（CPW）馈电。该天线是在 18 × 19 × 1.5 毫米的扁平 FR-4 基板上构建的。贴片和地平面之间装有四个开环谐振器，用于抑制两个特定的不需要的频段：无线局域网（5.2 至 5.8 GHz）和 X 波段卫星下行链路（7 至 8 GHz）。该原型利用超材料表现出良好的 UWB 性能和双频抑制能力，为无线通信应用中的紧凑型 UWB 天线设计提供了宝贵的见解。

在无线通信领域，UWB 技术的使用旨在实现有限距离内的高数据传输速率。根据美国联邦通信委员会 2002 年制定的法规，UWB 技术的定义是它能够在广泛的频谱（通常为 3.1 至 10.6 GHz）范围内发挥作用。¹ 这一广泛的频率范围包括许多窄频段，如 WiMAX（3.3 至 3.7 GHz）、5G sub-6 GHz（3.4 至 3.8 GHz）、WLAN（5.15 至 5.75 GHz）等，会造成严重干扰。

频带缺口（band-notch）是指在更宽的频谱内有意抑制或衰减的特定频率范围。²天线设计中通常采用频带缺口技术来抑制或减少干扰^3,4，例如槽、^3,4 缺陷接地结构 (DGS)、^5,6 电磁带隙 (EBG)、^7,8 谐振器^9,10 和超材料^11,12。

这些技术可用于抑制某些频段，但有些技术的抑制性能并不理想。某些技术比较复杂，只能通过专业技术实现，而另一些技术则无法实现紧凑设计。研究人员利用超材料结构的独特电磁特性，特别是负介电常数和负磁导率，来增强其作为频带抑制滤波器的性能。¹³ 这种技术采用了超材料对电磁波响应的精确控制；然而，采用超材料结构设计能有效抑制不需要频带的紧凑型 UWB 天线的过程充满挑战。

本文介绍了一种 UWB 贴片设计，其特点是采用 CPW 馈电的紧凑型双椭圆形。四个开环谐振器用于抑制两个不同频段的辐射：WLAN（5.2 至 5.8 GHz）和卫星下行链路频段（7 至 8 GHz）。通过在贴片和地平面之间集成超材料，可大大提高抑制能力。

超材料unit cell设计

图1 展示了印制在 1.5 毫米厚 FR-4 环氧基板上的开环谐振器超材料unit cell，其相对介电常数 ε_r 为 4.3，损耗正切 tan δ 为 0.025。沿 x 方向入射的平面电磁波接近unit cell，磁场沿 z 轴定向，电场沿 y 轴定向。完美的电导体作为沿 y 轴（在 x/z 方向的两侧）的边界壁。这种配置有助于设计出在所需频率附近产生共振的环，并通过计算 S 参数和检索有效电磁特性 ε_eff 和 μ_eff 实现超材料特性分析。

图1 三维超材料unit cell。

为了进一步研究超材料的影响，我们采用了一种标准参数检索技术来计算有效磁导率^14,15，并利用 CST Studio 软件获取了磁导率的实分量和虚分量（见图2）。很明显，超材料结构的平面表示法在特定频段表现出负磁导率的频率范围。这一评估只是一种估计。不过，仿真和磁导率检索的确可以合理地显示超材料特性的存在，甚至在单个cell层面也是如此。这不仅有助于谐振器的设计，还为所获得的结果提供了另一种解释。

图2 检索到的磁导率的实部和虚部。

图3 显示了不同unit cell长度 Lm 下超材料磁导率的检索结果，包括实部和虚部。结果表明，unit cell长度对频带效应的表现频率有直接影响。这揭示了超材料中unit cell长度与观测到的频带频率之间的反比关系。这加深了人们对设计参数影响的理解，尤其是对负磁导率的影响。

图3 不同 Lm 值的磁导率。

天线设计

设计过程（见图4）首先是在 CST Studio 中创建初始椭圆形贴片天线。然后，使用阻抗为 50 Ω 的共面波导馈电的双椭圆配置来实现 UWB 性能。最后，在设计中集成了四个超材料开环谐振器，以有效抑制两个不需要的频段，同时进一步提高天线性能。

图4 天线设计演变。

天线印制在ε_r 为 4.3、δ 为 0.025 的扁平 FR-4 基板上。图5 显示了最终设计的结构布局和关键部件。表 1 列出了关键参数的尺寸。

图5 天线几何形状。

这种 UWB 贴片天线是对传统单椭圆设计¹⁶（见图4，步骤 1）的创新突破。相反，它采用了双相交椭圆结构（见图4，步骤 2）来改善 UWB 特性。图6a 所示的双椭圆结构的阻抗带宽大于参考的单椭圆设计，可有效覆盖 3 至 10.5 GHz 的 UWB 频谱。

图6 设计步骤 1、2（a）和步骤 3 至 5（b）的反射系数。

在这种设计中，超材料被用来抑制不需要的频带。两个超材料单元 M1 和 M2 位于地面上方（见图4，步骤 3）。等式 1 确定了给定有效介电常数的带凹槽中心频率，等式 2 确定了 ε_eff：

其中：Lm 是谐振器的长度，C 是光速，ε_r是基底的介电常数。

图6b 显示，在第一个不需要的频带（5.2 至 5.8 GHz）的中心频率（f_n1）上，|S_(11)| 为 -4 dB；然而，在步骤 3 中集成超材料后，天线匹配度明显下降，尤其是在 7 GHz 以上。为了有效解决这一问题，我们添加了两个矩形存根（见图4，步骤 4），并将 |S₁₁| 降低到 -10 dB 以下。

最后，在步骤 5 中，又集成了两个unit cell M3 和 M4。这使得第二个目标频段（7.2 至 7.8 GHz）的抑制效果非常明显。在中心频率 f_n2 = 7.6 GHz 时，|S₁₁| 达到约 -4 dB。

原型制作和测量结果

为验证仿真结果，我们制作了一个天线原型，如图7 所示。如图8 所示，使用 Keysight N5224A 矢量网络分析仪对 |S₁₁| 进行了测量。图9 比较了仿真结果和测量结果，显示两者非常接近。

图7 UWB 原型天线。

图8 测量装置。

图9 仿真和测量的天线反射系数。

为了更全面地说明与双带缺口特征相关的特性，图10 显示了频率 f_n1 和 f_n2 的仿真电流分布。图中显示，在 WLAN 波段，电流集中在超材料unit cell M1 和 M2 周围。在卫星数据链路频段，电流集中在超材料 M3 和 M4 周围。

图10 陷波中心频率下的仿真天线电流分布。

在 4.3、6.6 和 9 GHz的 E 平面（YZ 平面）和 H 平面（XZ 平面）测量了辐射方向图，结果如图11 所示。结果显示，在所有相关频率下，E 平面具有双向特性，H 平面具有全向特性。高频率下的微小变化归因于衬底功率损耗。

图11 4.3 (a)、6.6 (b) 和 9 (c) GHz的仿真和测量天线辐射图。

图12 显示了测量和仿真的峰值增益，两者非常接近。增益在整个 UWB 范围内保持稳定，在 10.3 GHz 时达到最大值 3.7 dBi。但在 f_n1 (-3.8 dBi) 和 f_n2 (-3.7 dBi) 时，增益明显下降。这验证了超材料技术在两个不需要的频段内抑制辐射的有效性。

图12 仿真和测量的天线峰值增益。

表 2 对这一设计与其他相关作品进行了全面比较，突出了不同方面，如尺寸、频率范围、抑制频带、采用的技术、复杂性和设计技术。该设计结构紧凑，采用了基于超材料的简单抑制技术。单面 CPW 配置的使用不仅简化了结构，还提高了实用性，便于集成到各种天线系统中。

结论

设计具有更强抑制能力的紧凑型 UWB 贴片天线的新方法是在由 CPW 馈电的贴片中集成双椭圆结构。它还采用了四个开环谐振器来选择性地针对不需要的频段，特别是 WLAN （5.2 至 5.8 GHz）和卫星下行链路频段（7 至 8 GHz）。实验结果与仿真结果非常吻合，验证了开环谐振器在增强抑制能力方面的有效性。结合超材料的最终设计展示了具有双频抑制能力的 UWB 性能。利用超材料抑制不需要频段的辐射，为开发应用于无线通信系统的紧凑型超宽带天线提供了启示。

参考资料（略，见英文原文）

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：https://www.microwavejournal.com/articles/43342