具有優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

現代電子技術 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形微帶枝節饋電的矩形縫隙天線來實現超寬頻阻抗帶寬，由嵌入在T形枝節上的[14]波長縫隙和地板上的一對[14]波長的縫隙構成兩階濾波器，實現陷波優越的選擇形和帶寬特性。另外，可以通過調整所嵌入的縫隙的寬度和位置來調節陷波的帶寬。該天線具有較好的全向輻射特性，可以應用在各種超寬帶通信系統中。

關鍵詞：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： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

美國聯邦通信委員會（FCC）在2002年將3.1～10.6 GHz頻段劃歸為超寬帶通信系統的通信頻段[1]，從那以后，研究人員廣泛研究超寬帶通信系統的設計和應用[2?5]。然而，在3.1～10.6 GHz頻段內覆蓋了無線局域網（WLAN）使用的5.15～5.85 GHz頻段，這會給超寬帶通信系統帶來潛在的干擾。為了抑制超寬帶通信系統與無線局域網通信系統之間存在的干擾，傳統的做法是在超寬帶通信系統中額外地引入5.15～5.85 GHz頻段阻帶濾波器濾，將5.15～5.85 GHz頻段信號濾除。但這樣的方法加大了整個系統設計的復雜度，同時還增加了整個系統的設計和物料成本。

為降低整個系統的復雜度和成本，天線設計人員已經設計出了各種各樣的帶有陷波結構的超寬帶天線[6?10]，用陷波結構來替代帶阻濾波器。實現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構的縫隙[6?7]，改變縫隙天線的饋電枝節結構[8]或引入多余的微帶諧振器[9?10]。但是，上面所述的陷波結構只能產生單個濾波頻率點，相當于引入一個一階的濾波器，使得陷波結構產生的阻帶的選擇性較差，并且阻帶的帶寬較窄，導致不能有效地消除超寬帶通信系統與其他通信系統之間的信號干擾，降低超寬帶系統的通信質量。

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形微帶枝節饋電的矩形縫隙作為天線作為輻射單元，可以實現超寬帶天線的阻抗匹配。在T形饋電枝節上嵌入一個開路的矩形縫隙和在地板上嵌入一對開路的矩形縫隙，相當于引入了一個二階的濾波器。與傳統的一階濾波器相比，二階濾波器產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節。

1 天線設計

圖1顯示的是提所出天線的結構和尺寸，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。在天線的設計過程中，通過電磁仿真軟件HFSS優化矩形縫隙和T形微帶介質的參數尺寸，可以實現天線在超寬帶頻段內良好的阻抗匹配。

圖1 天線結構

為了實現在5.1～5.85 GHz頻段的二階濾波特性，采用二階陷波結構。二階陷波結構由嵌入在T形饋電枝節上的開路矩形縫隙和嵌入在地板上的一對開路的矩形縫隙構成。T形枝節上的縫隙和地板上的矩形縫隙能分別產生一個濾波頻率，當這兩個頻率耦合在一起時，就產生了二階濾波特性。縫隙的長度可以通過下面的公式得到：

[L1=c（4f1εr）] （1）

[L2=c（4f2εr）] （2）

式中：[εr]為介質的相對介電常數；c是光在真空中的速度；[f1，][f2]分別為嵌入在T型枝節上的縫隙和嵌入地板上的縫隙所產生的濾波頻率。在本設計中，[f1，][f2]的初始值分別為5.2 GHz和5.52 GHz。根據上述的設計方法，采用HFSS仿真軟件優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實應用中，如果陷波具有良好的選擇性，會改善通信的質量，因此，陷波的選擇性是衡量天線性能的重要指標。為了衡量陷波的選擇性，采用式（3）所示的選擇標準：

[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構的天線和具有一階陷波結構天線的回波損耗比較。從圖中可見，前面兩種天線只產生一個濾波頻率，而后面一種天線能產生兩個濾波頻率。當這兩個濾波頻率耦合在一起時，形成單個具有二階響應特性的陷波，并且在陷波的兩邊分別形成一個傳輸零點。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]的數值可以看出，具有二階陷波結構的天線具有更好的選擇性。

圖2 三種不同陷波結構的回波損耗對比

為了使天線能應用在各種不同的無線通信系統中，那么陷波的帶寬的可控性就是另外一個很重要的指標。圖3、圖4分別研究了所嵌入的縫隙寬度和位置對陷波帶寬的影響。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 實驗結果

根據表1中給出的天線尺寸，制造了天線的樣品并對其進行測試。仿真和測試的回波損耗如圖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，仿真和測試的結果基本吻合。

圖5 天線仿真和測試的回波損耗

為了解釋陷波產生機理，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附近產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，而在其他的頻段內增益變化曲線比較平坦，數值在3.5～5.7 dBi之間。

3 結論

本文提出了一種具有改進陷波特性的超寬帶天線的設計方法。改善了陷波的選擇性和帶寬，有效地抑制了WLAN 5～6 GHz頻段通信系統對超寬帶通信系統的干擾，并提出了一種新的二階陷波結構。另外，陷波的帶寬可以簡單地通過改變所嵌入的縫隙的寬度和位置來調節。該天線具有較好的輻射全向性，可以廣泛地應用于超寬帶通信系統中。

圖7 天線輻射方向圖

圖8 天線增益

參考文獻

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