具有優(yōu)越陷波選擇性和帶寬的超寬帶縫隙天線

2014-08-29 18:10:35張涌萍楊汝

現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年15期

張涌萍+楊汝

摘要：提出一種具有改善陷波特性的超寬帶縫隙天線，該天線由T形微帶枝節(jié)饋電的矩形縫隙天線來實(shí)現(xiàn)超寬頻阻抗帶寬，由嵌入在T形枝節(jié)上的[14]波長(zhǎng)縫隙和地板上的一對(duì)[14]波長(zhǎng)的縫隙構(gòu)成兩階濾波器，實(shí)現(xiàn)陷波優(yōu)越的選擇形和帶寬特性。另外，可以通過調(diào)整所嵌入的縫隙的寬度和位置來調(diào)節(jié)陷波的帶寬。該天線具有較好的全向輻射特性，可以應(yīng)用在各種超寬帶通信系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：超寬帶天線；雙陷波特性；縫隙天線；可控陷波帶寬

中圖分類號(hào)： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）15?0086?03

UWB slot antenna with superior band?notched selectivity

ZHANG Yong?ping1， YANG Ru2

（1. Guangdong Food and Drug Vocational College， Guangzhou 510520， China；

2. School of Physics and Telecommunication Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China）

Abstract： A UWB slot antenna with the improved band?notched characteristics is presented. A rectangular slot antenna fed by a T?shaped micro?strip stub is adopted in the antenna to realize an UWD impedance matching bandwidth. The second?order notch filter is composed of a pair of 1/4 wavelength slits embedded on the ground and a 1/4 wavelength slit on the T?shaped stub to achieve superior trap selection and bandwidth characteristics. Moreover， the band?notched bandwidth can be controlled by adjusting the position and width of the silts. The proposed antenna has a nearly omni?directional radiation characteristics， and can be applied to various portable UWB antennas.

Keywords： ultra?wideband antenna； dual?band?notched characteristic； slot antenna； controllable notched bandwidth

0 引言

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）在2002年將3.1～10.6 GHz頻段劃歸為超寬帶通信系統(tǒng)的通信頻段[1]，從那以后，研究人員廣泛研究超寬帶通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[2?5]。然而，在3.1～10.6 GHz頻段內(nèi)覆蓋了無線局域網(wǎng)（WLAN）使用的5.15～5.85 GHz頻段，這會(huì)給超寬帶通信系統(tǒng)帶來潛在的干擾。為了抑制超寬帶通信系統(tǒng)與無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)之間存在的干擾，傳統(tǒng)的做法是在超寬帶通信系統(tǒng)中額外地引入5.15～5.85 GHz頻段阻帶濾波器濾，將5.15～5.85 GHz頻段信號(hào)濾除。但這樣的方法加大了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)還增加了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和物料成本。

為降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，天線設(shè)計(jì)人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出了各種各樣的帶有陷波結(jié)構(gòu)的超寬帶天線[6?10]，用陷波結(jié)構(gòu)來替代帶阻濾波器。實(shí)現(xiàn)陷波特性的方法包括：在單極子天線的輻射單元陷入不同結(jié)構(gòu)的縫隙[6?7]，改變縫隙天線的饋電枝節(jié)結(jié)構(gòu)[8]或引入多余的微帶諧振器[9?10]。但是，上面所述的陷波結(jié)構(gòu)只能產(chǎn)生單個(gè)濾波頻率點(diǎn)，相當(dāng)于引入一個(gè)一階的濾波器，使得陷波結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻帶的選擇性較差，并且阻帶的帶寬較窄，導(dǎo)致不能有效地消除超寬帶通信系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)之間的信號(hào)干擾，降低超寬帶系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

為此，本文提出了一種具有良好陷波特性的矩形縫隙超寬帶天線。通過引入T形微帶枝節(jié)饋電的矩形縫隙作為天線作為輻射單元，可以實(shí)現(xiàn)超寬帶天線的阻抗匹配。在T形饋電枝節(jié)上嵌入一個(gè)開路的矩形縫隙和在地板上嵌入一對(duì)開路的矩形縫隙，相當(dāng)于引入了一個(gè)二階的濾波器。與傳統(tǒng)的一階濾波器相比，二階濾波器產(chǎn)生的阻帶特性具有很大的提高。另外，陷波的帶寬可以通過改變所嵌入的縫隙的寬度和位置來調(diào)節(jié)。

1 天線設(shè)計(jì)

圖1顯示的是提所出天線的結(jié)構(gòu)和尺寸，天線雕刻在一塊尺寸為22.4 mm× 25.9 mm的PCB射頻電路基板上，所采用的電路基板的厚度為0.8 mm，介電常數(shù)為2.55。天線的輻射單元為矩形縫隙，由T形微帶直接饋線。在天線的設(shè)計(jì)過程中，通過電磁仿真軟件HFSS優(yōu)化矩形縫隙和T形微帶介質(zhì)的參數(shù)尺寸，可以實(shí)現(xiàn)天線在超寬帶頻段內(nèi)良好的阻抗匹配。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)在5.1～5.85 GHz頻段的二階濾波特性，采用二階陷波結(jié)構(gòu)。二階陷波結(jié)構(gòu)由嵌入在T形饋電枝節(jié)上的開路矩形縫隙和嵌入在地板上的一對(duì)開路的矩形縫隙構(gòu)成。T形枝節(jié)上的縫隙和地板上的矩形縫隙能分別產(chǎn)生一個(gè)濾波頻率，當(dāng)這兩個(gè)頻率耦合在一起時(shí)，就產(chǎn)生了二階濾波特性。縫隙的長(zhǎng)度可以通過下面的公式得到：

[L1=c（4f1εr）] （1）

[L2=c（4f2εr）] （2）

式中：[εr]為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；c是光在真空中的速度；[f1，][f2]分別為嵌入在T型枝節(jié)上的縫隙和嵌入地板上的縫隙所產(chǎn)生的濾波頻率。在本設(shè)計(jì)中，[f1，][f2]的初始值分別為5.2 GHz和5.52 GHz。根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方法，采用HFSS仿真軟件優(yōu)化后天線的尺寸見表1。

表1 天線尺寸 mm

[[L]＼&[Ls]＼&[ws]＼&[p1]＼&[p2]＼&[wf]＼&25.9＼&22.5＼&12.0＼&1.7＼&2.0＼&3.0＼&[Lf]＼&[g]＼&[S]＼&[T1]＼&[T2]＼&[w1]＼&8.4＼&0.2＼&1.1＼&10.8＼&5.7＼&0.3＼&[L1]＼&[a1]＼&[w2]＼&[L2]＼&[a2]＼&＼&10.0＼&0.3＼&0.3＼&10.2＼&0.2＼&＼&]

在陷波超寬帶天線的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，如果陷波具有良好的選擇性，會(huì)改善通信的質(zhì)量，因此，陷波的選擇性是衡量天線性能的重要指標(biāo)。為了衡量陷波的選擇性，采用式（3）所示的選擇標(biāo)準(zhǔn)：

[fc=BW-3 dBBW-10 dB] （3）

式中：[BW-3 dB]和[BW-10 dB]分別為阻帶的-3 dB和-10 dB帶寬。

圖2顯示了具有二階陷波結(jié)構(gòu)的天線和具有一階陷波結(jié)構(gòu)天線的回波損耗比較。從圖中可見，前面兩種天線只產(chǎn)生一個(gè)濾波頻率，而后面一種天線能產(chǎn)生兩個(gè)濾波頻率。當(dāng)這兩個(gè)濾波頻率耦合在一起時(shí)，形成單個(gè)具有二階響應(yīng)特性的陷波，并且在陷波的兩邊分別形成一個(gè)傳輸零點(diǎn)。二階陷波天線的[fc]值為0.55，前面兩種一階陷波天線的[fc]值分別為0.23和0.29。從這三種天線[fc]的數(shù)值可以看出，具有二階陷波結(jié)構(gòu)的天線具有更好的選擇性。

圖2 三種不同陷波結(jié)構(gòu)的回波損耗對(duì)比

為了使天線能應(yīng)用在各種不同的無線通信系統(tǒng)中，那么陷波的帶寬的可控性就是另外一個(gè)很重要的指標(biāo)。圖3、圖4分別研究了所嵌入的縫隙寬度和位置對(duì)陷波帶寬的影響。從圖中可見，陷波帶寬隨縫隙寬度的變大而變寬，隨[a1]和[a2]的變大而變寬。

圖3 陷波帶寬隨嵌入縫隙寬度的變化曲線

圖4 陷波帶寬隨嵌入縫隙位置的變化曲線

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1中給出的天線尺寸，制造了天線的樣品并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。仿真和測(cè)試的回波損耗如圖5所示。從圖中可見，天線的-10 dB阻抗帶寬為3.12～11 GHz，陷波帶寬為5.05～6.06 GHz，仿真和測(cè)試的結(jié)果基本吻合。

圖5 天線仿真和測(cè)試的回波損耗

為了解釋陷波產(chǎn)生機(jī)理，圖6顯示了在5.2 GHz和5.52 GHz頻率下的電路分布圖，在5.2 GHz頻率下，電流主要集中在地板上的縫隙周圍，而在5.52 GHz頻率下，電流主要集中在T形枝節(jié)的縫隙周圍，在5.2和5.52 GHz頻率下，極少的電流分布在矩形縫隙邊緣，造成天線在這兩頻率點(diǎn)附近產(chǎn)生較大的衰減和阻抗失配，從而形成陷波。

圖6 天線在不同頻率下的電流分布圖

圖7顯示的是天線除了在4 GHz，7 GHz和9 GHz E面和H面的輻射方向圖。從圖中可見，天線的方向圖具有較好的全向性。天線的增益如圖8所示，從圖中可見，天線在陷波頻段的增益下降得非常顯著，而在其他的頻段內(nèi)增益變化曲線比較平坦，數(shù)值在3.5～5.7 dBi之間。

3 結(jié) 論

本文提出了一種具有改進(jìn)陷波特性的超寬帶天線的設(shè)計(jì)方法。改善了陷波的選擇性和帶寬，有效地抑制了WLAN 5～6 GHz頻段通信系統(tǒng)對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)的干擾，并提出了一種新的二階陷波結(jié)構(gòu)。另外，陷波的帶寬可以簡(jiǎn)單地通過改變所嵌入的縫隙的寬度和位置來調(diào)節(jié)。該天線具有較好的輻射全向性，可以廣泛地應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)中。

圖7 天線輻射方向圖

圖8 天線增益

參考文獻(xiàn)

[1] FCC. Revision of part 15 of the commission's rules regarding ultra?wide?band transmission system [R]. USA： FCC， 2002.

[2] NGUYEN D T， LEE D H， PARK H C. Very compact printed triple band?notched UWB antenna with quarter?wavelength slots [J]. IEEE Antennas Wireless Propag Letters 2012， 11： 411?414.

[3] TSAI C L， YANG C L. Novel compact eye?shaped UWB antennas [J]. IEEE Antennas Wireless Propag Letters， 2012， 11： 184?187.

[4] SUNG Y. UWB monopole antenna with two notched bands based on the folded stepped impedance resonator [J]. IEEE Antennas Wireless Propag Letters， 2012， 11： 500?502.

[5] BOD M， TAHERI M M S. Compact UWB printed slot antenna with extra Bluetooth， GSM， and GPS bands [J]. IEEE Antennas Wireless Propag Letters， 2012， 11： 531?534.

[6] KIM Y， KWON D H. CPW?fed planar ultra?wideband antenna having a frequency band notch function [J]. Electron Letters， 2004， 40： 403?405.

[7] CHU Q X， YANG Y Y. 3.5/5.5 GHz dual band?notch ultra?wideband antenna [J]. Electron Letters， 2008， 44： 172?174.

[8] PAN C J， LEE C， HUANG C Y， et al. Band?notched ultrawideband slot antenna [J]. Microw Opt Technol Letters， 2006， 48： 2444?2446.

[9] KIM K H， CHO Y J， HWANG S H， et al. Band?notched UWB planar monopole antenna with two parasitic patches [J]. Electron Letters 2005， 41： 783?785.

[10] KIM K H， PARK S O. Analysis of the small band?rejected antenna with the parasitic strip for UWB [J]. IEEE Transactions on Antennas Propag， 2006， 54： 1688?1692.

[11] CHUANG C T， LIN T J， CHUNG S J. A band?notched UWB monopole antenna with high notch?band?edge selectivity [J]. IEEE Transactions on Antennas Propag， 2012， 60： 4492?4499.