一種具有U形寄生單元的三陷波帶陷超寬帶天線設(shè)計(jì)

摘 要： 設(shè)計(jì)了一種采用微帶饋電的平面超寬帶天線，并在該超寬帶天線的基礎(chǔ)上，通過在微帶饋線的旁邊加載U形寄生單元的方式，在3.1～10.6 GHz的通帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了3個(gè)頻段的帶陷特性。該天線采用Rogers RT/duroid 5880為基板，整體尺寸僅為23 mm×13 mm×0.508 mm，具有易加工、便于集成的特點(diǎn)。仿真和測(cè)試結(jié)果表明該天線在3.25～3.6 GHz，5.1～5.9 GHz和9.5～9.9 GHz處形成3個(gè)陷波頻段，適合于超寬帶系統(tǒng)的使用。

關(guān)鍵詞： 超寬帶天線； 帶阻功能； 寄生單元； 平面天線

中圖分類號(hào)： TN823?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）15?0050?03

Design of three?band?notched ultra?wideband antenna with U?shaped parasitic element

LI Rui， TANG Jin?sheng， HAN Cao?zheng

（Institute of EM?Theory and Microwave Technology， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： A planar ultra?wideband （UWB） antenna with microstrip feed was designed. And on the basis of the UWB antenna， the U?shaped parasitic element is added on the side of the microtrip feeder to obtain the band?notched function for the 3 notched bands. The overall dimension for the proposed antenna is 23 mm× 13 mm × 0.508 mm. Rogers RT/duroid 5880 is taken as a substrate in the system. The antenna is easy to build and integrate. Simulated and Measured results confirm that the proposed antenna forms three trapped wave bands at 3.25～3.6 GHz， 5.1～5.9 GHz and 9.5～9.9 GHz， and is suitable for UWB applications.

Keywords： ultrawideband antenna； band?notched function； parasitic element； planar antenna

0 引 言

隨著2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）通過決議批準(zhǔn)將3.1～10.6 GHz的頻率資源用于商業(yè)領(lǐng)域[1]，具有高傳輸速率、低功耗、低成本、抗干擾能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)、低截獲概率等眾多優(yōu)勢(shì)的超寬帶（Ultra?Wideband， UWB）無線通信技術(shù)在科研和無線工業(yè)領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展。國內(nèi)外已經(jīng)有許多不同類型的天線被設(shè)計(jì)出來，并覆蓋了整個(gè)的UWB頻段[2?3]，但與此同時(shí)，這一頻段與全球微波互聯(lián)接入（WiMax，3.25～3.6 GHz）、無線局域網(wǎng)（WLAN，5.15～5.825 GHz）和X頻段（9.5～9.9 GHz）等無線通信的工作頻段存在重合。出于防止相互干擾的目的，對(duì)超寬帶天線的設(shè)計(jì)提出了在目標(biāo)頻段實(shí)現(xiàn)陷波功能的要求。很多文獻(xiàn)都描述了許多方法，用于實(shí)現(xiàn)天線的陷波特性，例如，通過在天線上開不同形狀的縫隙結(jié)構(gòu)[4?8]的方法，使用調(diào)諧支線[9]的方法，加載寄生單元[10]的方法等等。

本文設(shè)計(jì)了一款微帶饋電的平面超寬帶天線，為了在目標(biāo)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)陷波特性，通過在微帶饋線旁增加U型寄生單元結(jié)構(gòu)，在原3.1～10.6 GHz的通帶上，有效地實(shí)現(xiàn)了3.25～3.6 GHz、5.1～5.9 GHz和9.5～9.9 GHz的陷波，且總體輻射特性良好。同時(shí)研究了寄生單元參數(shù)變化對(duì)阻帶特性造成的影響，通過分析對(duì)比得出了最佳的參數(shù)選擇，天線總尺寸為23 mm×13 mm×0.508 mm。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工。

1 天線結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的工作于3.1～10.6 GHz頻段的UWB天線幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線采用Rogers RT/duroid 5880作為介質(zhì)基板材料，其相對(duì)介電常數(shù)為2.2，厚度為0.508 mm。介質(zhì)板的長寬分別為[Wsub，Lsub。]輻射貼片由一個(gè)采用微帶饋電的矩形金屬片演變而來，通過調(diào)整其微帶饋線位置，形成偏饋結(jié)構(gòu)，以及對(duì)該矩形貼片表面電流分布較弱區(qū)域進(jìn)行裁剪，使得天線表面電流路徑得到增大，從而達(dá)到了減小天線面積的作用。接地板結(jié)構(gòu)如圖1所示，較普通接地板，左右各添加了非對(duì)稱支臂，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以有效的展寬天線的帶寬。饋線的寬度為[wg，]阻抗為50 Ω，輻射單元與接地板三面之間的間隔都是1 mm。

圖1 工作于3.1～10.6 GHz頻段的UWB天線結(jié)構(gòu)示意圖

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定該UWB結(jié)構(gòu)天線的各個(gè)幾何參數(shù)具體數(shù)值如表1所示。

表1 工作于3.1～10.6 GHz頻段的UWB天線參數(shù) mm

[Wsub＼Lsub＼g1＼g2＼g3＼w1＼w2＼23＼13＼5.5＼2.0＼7.0＼3.0＼8.0＼w3＼w4＼p1＼p2＼p3＼wg＼lg＼1.0＼2.5＼2.0＼4.0＼2.0＼1.48＼7.0＼]

在此UWB天線基礎(chǔ)上，采用U型寄生單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行天線的陷波設(shè)計(jì)。該寄生單元各幾何參數(shù)如圖2所示，分別為lp1，lp2和wp。寄生單元與微帶饋線之間的間距為0.1 mm。采用基于時(shí)域有限積分（FITD）法的電磁仿真軟件進(jìn)行仿真。

圖2 帶有U型寄生單元的陷波結(jié)構(gòu)天線示意圖

2 天線設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該陷波結(jié)構(gòu)天線中寄生單元的最優(yōu)尺寸如表2所示。

表2 陷波結(jié)構(gòu)天線U型寄生單元參數(shù) mm

[lp1＼lp2＼[wp]＼4＼16＼0.2＼]

圖3～圖5分別顯示了lp1，lp2和wp變化時(shí)，對(duì)天線阻帶性能的影響。

圖3 寄生單元幾何結(jié)構(gòu)lp1對(duì)天線阻帶性能的影響

圖4 寄生單元幾何結(jié)構(gòu)lp2對(duì)天線阻帶性能的影響

圖5 寄生單元幾何結(jié)構(gòu)wp對(duì)天線陷波性能的影響

對(duì)圖3～圖5進(jìn)行分析對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于天線帶陷頻段的改變，lp1和lp2的影響很大，而wp的改變幾乎對(duì)天線的陷波頻段沒有影響。當(dāng)lp1變化時(shí)，對(duì)WiMax和WLAN陷波頻段的影響較大，而X頻段的阻帶變化較小；當(dāng)lp2變化時(shí)，可以改變3個(gè)陷波頻段的范圍，同時(shí)對(duì)X頻段的阻帶影響最大。采用如表2所示的寄生單元最優(yōu)參數(shù)時(shí)，所設(shè)計(jì)的天線在3個(gè)頻段內(nèi)具有較好的陷波特性，且其他UWB頻段仍是通帶，滿足設(shè)計(jì)的指標(biāo)。本文將所設(shè)計(jì)的陷波天線進(jìn)行加工，其實(shí)物如圖6所示。

圖6 陷波結(jié)構(gòu)天線實(shí)物照片

采用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（E5071C）對(duì)其S11參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，圖7是S11實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比?？梢钥闯鎏炀€仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果之間有較好的一致性，可以產(chǎn)生3.25～3.6 GHz、5.1～5.9 GHz和9.5～9.9 GHz的陷波頻段。圖8給出了有寄生單元和無寄生單元時(shí)超寬帶天線的增益仿真結(jié)果，有寄生單元天線在3個(gè)陷波頻段內(nèi)的增益具有較低的電平。

圖7 帶餡天線的測(cè)試與仿真回波損耗

圖8 仿真天線增益

超寬帶系統(tǒng)要求天線的具有很好的全向輻射特性，圖9分別給出了本文提出的陷波天線在3.2 GHz、8 GHz和10.5 GHz頻點(diǎn)上的E面、H面輻射方向圖。從圖9中可知，該天線的H面方向圖具有較好的全向性。

圖9 陷波結(jié)構(gòu)天線方向圖

3 結(jié) 論

本文通過地板和輻射貼片的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種采用微帶饋電的平面超寬帶天線，并采用在微帶饋線旁邊加載U形寄生單元的方式，獲得了3個(gè)頻段的帶陷特性。采用調(diào)整寄生單元長度和寬度的方法，可以在不同的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)陷波特性，并且具有很好的全向輻射特性。測(cè)試結(jié)果表明，該天線阻抗帶寬覆蓋了3.1～10.6 GHz的UWB頻段，并在3.25～3.6 GHz、5.1～5.9 GHz和9.5～9.9 GHz實(shí)現(xiàn)了的陷波特性。天線尺寸僅為23 mm×13 mm× 0.508 mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、易于集成，具有良好的應(yīng)用前景。

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