超寬帶平面天線中實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的方法

摘 要：隨著超寬帶平面天線的研究和廣泛應(yīng)用，在超寬帶天線中實(shí)現(xiàn)對(duì)其他無線通信設(shè)備特別是WLAN設(shè)備的干擾抑制成為研究熱點(diǎn)。從不同結(jié)構(gòu)的超寬帶平面單極子天線實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的方法出發(fā)，研究實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的基本原理和常用方法。研究成果對(duì)超寬帶天線的設(shè)計(jì)和頻帶的抑制具有一定的指導(dǎo)作用。

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關(guān)鍵詞：平面單極子天線;超寬帶;頻帶抑制;寄生單元

中圖分類號(hào)：TN822+8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)07-062-03

Methods of Band-rejected for UWB Planar Antennas

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JIANG Xinsheng1，2，LIAO Bin1

(1.East China Normal University，Shanghai，200062，China;2.Xinjiang Normal University，Urumqi，830054，China)

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Abstract：With the research and wide applications of ultra-wide band planar antenna，it is an attractive topic how to reject electromagnetic interference on nearby frequency communication systems such as Wireless LAN (WLAN) caused by ultra-wide band planar antenna.In this paper，through approach of various band-rejected UWB planar monopole antennas，principles and methodsare researched.The consequences provide a direction for designing and band-rejected of ultra-wide band planar antenna.

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Keywords：planar monopole antenna;ultra-wide band;band-rejected;parasitic component

超寬帶天線在軟件無線電系統(tǒng)、 寬帶無線接入、電子對(duì)抗、探地雷達(dá)和電磁兼容測量等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著超寬帶平面單極子天線研究的深入及其廣泛應(yīng)用，在FCC(Federal Communications Commission)分配的UWB頻段(31~106 GHz)中，對(duì)其他固定頻段的設(shè)備(如WLAN IEEE802.11a.對(duì)應(yīng)頻段515~535 GHz，5725~5825 GHz以及HIPERLAN/2對(duì)應(yīng)頻段515~535 GHz，547~5725 GHz)將產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重地影響了這些設(shè)備的正常工作。如何在超寬帶中實(shí)現(xiàn)頻帶抑制而不影響通帶內(nèi)的性能，成為超寬帶天線設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)。本文從不同結(jié)構(gòu)的超寬帶平面單極子天線實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的方法出發(fā)，研究實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的基本原理和常用方法。

1 頻帶抑制的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法

在超寬帶平面單極子天線中，實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的基本原理和方法就是設(shè)法避免產(chǎn)生或者消除天線上被抑制頻段對(duì)應(yīng)的電流。而消除抑制頻帶對(duì)應(yīng)的電流，應(yīng)通過改變天線的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這樣天線上的電流分布也將發(fā)生變化，其對(duì)應(yīng)的有效電長度是被抑制頻帶波長的1/2或者1/4。被改變電流分布后的天線相當(dāng)于增加了一個(gè)帶阻濾波器，從而實(shí)現(xiàn)頻帶抑制。在超寬帶平面單極子天線中常用改變電流分布實(shí)現(xiàn)頻帶抑制。對(duì)于不同的超寬帶平面單極子天線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的方法不同。下面進(jìn)行具體的分析。

1.1 [ZK(]開孔、開槽平面貼片單極子天線實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的方法[ZK)]

對(duì)于輻射貼片中開方形、圓形或者橢圓形等形狀的平面天線結(jié)構(gòu)，通常采用在開孔部位對(duì)應(yīng)的接地面上增加寄生單元，通過寄生單元來改變電流的分布實(shí)現(xiàn)頻帶抑制。即通過引入寄生單元，在被抑制的頻帶范圍內(nèi)，寄生單元上的電流方向與輻射貼片上的電流方向相反，從而在超寬帶頻譜上實(shí)現(xiàn)頻帶抑制。

圖1(a)、(b)所示天線結(jié)構(gòu)為倒鐘型的輻射貼片、帶有凹槽的部分接地面以及寄生縫環(huán)^[1]。倒鐘型的輻射貼片可以增加低頻段的有效電長度，通過調(diào)整部分接地面上的凹槽尺寸可以獲得很寬頻帶內(nèi)較好的阻抗匹配，上凸形的接地面可以進(jìn)一步地改善超寬帶的阻抗匹配特性。寄生環(huán)的引入改變了天線貼片上的電流分布，實(shí)現(xiàn)頻帶抑制，其中寄生環(huán)的半環(huán)長度L大約為1/4波長，通過調(diào)整半環(huán)長度L可以實(shí)現(xiàn)在不同頻率的抑制(圖1(c))。

開橢圓形孔的半橢圓形輻射貼片，以及矩形條狀寄生單元如圖2 所示^[2]。在輻射貼片邊緣開階梯狀槽可以實(shí)現(xiàn)高頻段的良好阻抗匹配。地面開凹槽的上凸形平面可以實(shí)現(xiàn)很好的超寬帶特性。橢圓形孔正對(duì)的接地面，增加矩形條狀寄生單元來實(shí)現(xiàn)頻帶抑制，此單元改變天線上的電流分布，寄生單元的不同長度和寬度可實(shí)現(xiàn)不同頻帶的抑制，同時(shí)由圖2還可以看出被抑制的頻帶對(duì)長度的響應(yīng)要比對(duì)寬度的響應(yīng)更為敏感。

通過在輻射貼片開U型槽以實(shí)現(xiàn)頻帶抑制，如圖3所示^[3]。通過邊緣階梯化以及改善饋線兩邊的匹配程度實(shí)現(xiàn)超寬帶性能，在輻射貼片上開U型槽，可以改變槽兩邊的電流分布，電流方向相反，從而實(shí)現(xiàn)頻帶抑制。被抑制的頻帶由U型槽的尺寸決定，改變U型槽的長度和寬度可以改變被抑制的頻帶。fh長度越短被抑制的頻段越高，fw寬度越寬被抑制的頻段越高。

1.2 [ZK(]不規(guī)則形狀平面貼片單極子天線實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的方法[ZK)]

如圖4所示^[4]，位于微帶饋線與輻射片中間的傾斜的兩條微帶(左圖)，其寬度與長度之比(W2/L2)對(duì)于天線在頻帶內(nèi)的阻抗匹配起著重要的作用。而接地面的長度L5可以進(jìn)一步改善阻抗的匹配程度。為了獲得指定頻段的抑制，在輻射兩分支貼片的頂端進(jìn)行容性加載，即將兩貼片向接地面折合，與輻射貼片相連，折合面的長度為介質(zhì)板的厚度。這種容性加載等效為工作在需要抑制的頻帶內(nèi)的串聯(lián)諧振器，同時(shí)在接地面的上方增加兩個(gè)寄生貼片單元，調(diào)節(jié)這兩個(gè)貼片的尺寸就可以調(diào)節(jié)被抑制的頻帶，通過容性加載以及寄生貼片單元的作用，從而實(shí)現(xiàn)了頻帶抑制特性。

矩形單元實(shí)現(xiàn)頻帶抑制

對(duì)于天線輻射貼片比較小，通過邊緣階梯化不規(guī)則形狀的超寬帶平面單極子天線，可以通過在輻射貼片對(duì)應(yīng)的兩邊的背面增加寄生單元來改變天線上的電流分布，實(shí)現(xiàn)頻帶抑制。如圖5所示，天線由帶有階梯狀的弧形邊貼片、部分接地面和寄生單元三部分組成^[5]。邊緣階梯有助于改善高頻段的阻抗特性，獲得較大的帶寬。寄生單元實(shí)現(xiàn)指定頻率范圍內(nèi)的頻帶抑制，通過改變寄生單元的長度實(shí)現(xiàn)不同頻率范圍內(nèi)的阻帶。

寄生單元實(shí)現(xiàn)頻帶抑制

1.3 非PCB結(jié)構(gòu)的平面單極子天線實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的方法

對(duì)于非PCB結(jié)構(gòu)的平面單極子天線來講，通常使用在輻射單元中開槽或增加輻射單元改變天線上電流分布或相位來實(shí)現(xiàn)頻帶抑制。

在天線的輻射金屬面上開U型槽^[6]，天線的結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)U型槽的長度為希望抑制的頻帶波長的1/2時(shí)，天線上對(duì)應(yīng)于抑制頻帶內(nèi)的電流分布改變，從而實(shí)現(xiàn)頻帶抑制。通過在輻射金屬面上開多個(gè)U型槽可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻帶的抑制。

在天線的輻射金屬環(huán)片外邊緣上開多個(gè)凹槽可以改善在超寬帶內(nèi)的阻抗匹配特性，在金屬環(huán)的內(nèi)部附加反C型的單元，如圖7所示^[7]。由于金屬環(huán)的內(nèi)邊緣的電流分布與反C型單元外邊緣的電流分布相反，從而實(shí)現(xiàn)了頻帶抑制。改變r(jià)1，h2，l1的值可以改變被抑制的頻帶范圍。

如圖8所示天線的結(jié)構(gòu)及阻抗特性，天線由不同大小的梯形輻射面A，B構(gòu)成，兩個(gè)輻射面接在同一導(dǎo)體面上，50 Ω饋電線連接在此導(dǎo)體面^[8]。在被抑制的頻率范圍內(nèi)，由于輻射面A，B上電流分布的不同相，從而實(shí)現(xiàn)頻帶抑制。調(diào)整兩個(gè)輻射單元中小的單元B的尺寸可以改變被抑制的頻帶。調(diào)整兩個(gè)輻射單元間的距離也可以改變被抑制的頻帶，增加距離，被抑制的頻帶會(huì)降低，同時(shí)其VSWR在超寬帶范圍和被抑制頻帶內(nèi)都會(huì)增加。

2 結(jié) 語

通過分析在超寬帶平面單極子天線中實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的天線結(jié)構(gòu)，總結(jié)了在實(shí)現(xiàn)頻帶抑制中不同結(jié)構(gòu)的天線所

采用的不同的方法。研究表明，改變天線的局部結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)天線上電流分布的改變，從而實(shí)現(xiàn)頻帶抑制。這些方法對(duì)超寬帶天線設(shè)計(jì)和頻帶抑制具有一定的指導(dǎo)作用。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Ki-Hak Kim，Young Jun Cho，Soon-Ho Hwang.A Band-rejected UWB Planar Monopole Antenna with a Ring-shaped Parasitic Patch.IEEE Microwave Conference Proceedings，APMC.Asia-Pacific Conference Proceedings，2005，4:4-7.

［2］Ki-Hak Kim，Seong-Ook Park.Analysis of the Small Band-Rejected Antenna with the Parasitic Strip for UWB[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54(6):1 688-1 692.

［3］Young Jun Cho，Ki Hak Kim，Dong Hyuk Choi.A Miniature UWB Planar Monopole Antenna With 5 GHz Band-Rejection Filter and the Time-Domain Characteristics[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54(5):1 453-1 460.

［4］Tzyh Ghuang Ma，Sung Jung Wu.A New Band-notched U-shape Folded Monopole Antenna for UWB Applications[J].IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2006:1 643-1 646.

［5］Kim K H，Cho Y J，Hwang S H.Band-notched UWB Planar Monopole Antenna with Two Parasitic Patches[J].Electonics Letters，2007，41(14):783-785.

［6］Wang-Sang Lee，Dong-Zo Kim，Ki-Jin Kim.Wideband Planar Monopole Antennas with Dual Band-Notched Characteristics[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54(6):2 800-2 806.

［7］Jianming Qiu，Zhengwei Du，Jianhua Lu.A Planar Monopole Antenna Design WithBand-Notched Characteristic[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54(1):288-292.

［8］Toshihiro Nakamura，Hisao Iwasaki.Planar Monopole Antenna Having a Band-Notched Characteristic for UWB[J].IEEE.Antennas and Propagation Society International Symposium，2006:4 641-4 644.