具有多阻帶特性的超寬帶天線研究與設計

摘 要： 設計一種具有多阻帶特性的平面超寬帶天線，采用在輻射貼片開C型槽和H型槽的方法實現(xiàn)天線在WiMAX頻段和WLAN頻段的帶阻抑制特性。U型槽孔產(chǎn)生高于10.6 GHz的高頻阻帶，同時饋線終端的階梯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了多頻寬帶的匹配。該天線在3.16～3.73 GHz，4.63～6.02 GHz以及高于10.6 GHz的超寬帶頻帶內(nèi)形成阻帶，表明其在工作頻帶內(nèi)有良好的抗干擾能力。此外，在天線的通帶內(nèi)有良好的全向特性，結(jié)果表明該設計方法的有效性。

關(guān)鍵字： 超寬帶天線； 阻帶特性； U型槽； 階梯結(jié)構(gòu)

中圖分類號： TN822?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0068?02

Abstract： A planar ultra?wideband （UWB） antenna with multiple band?notched characteristic is designed. The bandnotched characteristic in the frequency range of WiMAX and WLAN is achieved by etching the C?shaped and H?shaped slots on the radiated patch. High frequency band?notched which is higher than 10.6 GHz is generated by the U?shaped slot， and the matching of multi frequency wide?band is implemented by the staircase structure of the feeder terminal. The notched band is shaped within 3.16～3.73 GHz， 4.63～6.02 GHz and above 10.6 GHz among the UWB frequency range of the antenna， it indicates that the antenna has good anti?interference ability in the working frequency range. Meanwhile， the design method proved by good omnidirectional character in pass?band of the antenna is effective.

Keywords： UWB antenna； band?notched characteristic； U?shaped slot； staircase structure

0 引 言

近些年，隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，低功耗、小型化、高傳輸速率和抗干擾能力成為現(xiàn)代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)。尤其是在2002年美國聯(lián)邦通信委員會允許3.1～10.6 GHz超寬頻段的商業(yè)許可后，超寬帶天線的研究與設計受到越來越多的關(guān)注。與此同時，由于超寬帶天線具有尺寸小、重量輕和傳輸速率高等優(yōu)點，被大量地應用到各種無線通信中。目前已經(jīng)有很多的天線設計滿足3.1～10.6 GHz超寬帶通信無線電頻帶通信的需要[1]。

但是隨著通信協(xié)議的增加，頻譜資源的分配與使用也越來越緊張。在3.1～10.6 GHz超寬帶通信無線電頻段內(nèi)還存在其他的一些窄帶系統(tǒng)，形成了頻帶交疊的現(xiàn)象。例如，工作在3.3～3.7 GHz頻帶的Worldwide Interoperability For Microwave Access （WiMAX）和工作在5.15～5.825 GHz頻帶的Wireless Local Area Network （WLAN）。這種頻帶交疊現(xiàn)象的出現(xiàn)會導致超寬帶通信系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)在工作時會產(chǎn)生沖突和相互干擾。因此，很多方法被用來研究超寬帶天線的帶阻特性，以減小窄帶通信對超寬帶系統(tǒng)的影響[2?3]。例如：附加濾波器，寄生單元或者是開槽的方法[4?10]。但是這些具有帶阻特性的天線大部分是研究超寬帶天線的單阻帶或是雙阻帶抑制。除此之外，還較少考慮到超寬帶天線高頻截止特性，難以滿足頻譜資源愈發(fā)緊張的要求。

本文提出一種結(jié)構(gòu)緊湊的超寬帶天線。通過輻射貼片上C型和H型槽孔實現(xiàn)WiMAX和WLAN的阻帶抑制特性，階梯結(jié)構(gòu)改善了天線的寬頻帶特性，并且利用饋線上的U型槽孔獲得了天線的高頻截止特性。同時，在天線的通帶內(nèi)有良好的全向輻射方向圖，具有一定的使用價值。

1 天線的結(jié)構(gòu)設計

天線的結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。天線的尺寸為32 mm[×]22 mm，整體印制在厚度為1.6 mm，相對介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上。天線的輻射貼片部分為不規(guī)則的矩形。為了獲得WiMAX和WLAN頻段的帶特性，在輻射貼片上開了一對C型槽和一個H型槽，其中C型槽寬度為0.5 mm，H型槽寬度為0.3 mm。輻射貼片與饋線終端連接處采用了階梯結(jié)構(gòu)，大大改善了超寬帶天線的寬帶特性。饋線上的U型槽孔引起了高于10.6 GHz頻帶的帶阻特性，U型槽孔的寬度為0.2 mm。

該天線基于一個無帶阻特性的UWB天線基礎上，在天線上開槽獲得帶阻特性。與此同時，改變槽孔的長度、寬度以及位置可以獲得不同的阻帶。一般情況下，槽孔的長度約是中心頻率處波長的一半，可由經(jīng)驗公式（1）計算：

通過調(diào)節(jié)槽孔參數(shù)可以改變帶阻特性，從而得到理想的天線性能。其原理是在天線結(jié)構(gòu)中引入抑制頻率的LC諧振回路，槽孔參數(shù)的改變導致回路LC值的變化，結(jié)果影響了抑制的中心頻率和相應的阻帶特性。最后得到的優(yōu)化參數(shù)如下：[Wsub=]22 mm，[Lsub=]32 mm，[W=]15 mm，[L=]11 mm，[Lgrd=]12.5 mm，[W1=]5 mm，[W2=]4.5 mm，[L1=]4 mm，[W3=]11.4 mm，[L2=]3 mm，[W4=]2 mm，[L3=]2 mm，[W5=]2 mm，[L4=]1.5 mm，[W6=]1.3 mm，[L5=] 3.6 mm，[Wf=]2.8 mm。

2 結(jié)果與分析

圖2為天線的電壓駐波比（VSWR）的測量與仿真結(jié)果對比圖。從仿真結(jié)果和測試的結(jié)果可以看出，兩曲線吻合較好，誤差的原因可能與天線的制造誤差或者測試環(huán)境的改變有關(guān)。從圖中還可以看出天線在3.16～3.73 GHz，4.63～6.02 GHz以及高于10.6 GHz的頻帶內(nèi)VSWR>2，而在其他的頻帶內(nèi)VSWR<2，滿足了帶阻特性的要求，從而減少了系統(tǒng)間的相互干擾。

3 結(jié) 語

本文提出一種結(jié)構(gòu)緊湊的具有多阻帶特性的超寬帶天線。天線具有3.16～3.73 GHz，4.63～6.02 GHz以及高于10.6 GHz頻帶的三個阻帶抑制特性，其中3.16～3.73 GHz和4.63～6.02 GHz的阻帶分別由輻射貼片上一對C型槽孔和H型槽孔產(chǎn)生，高于10.6 GHz的阻帶由饋線上的U型槽孔產(chǎn)生。饋線終端的階梯結(jié)構(gòu)改善了超寬帶天線的寬帶特性。天線實現(xiàn)了WLAN，WiMAX以及高于10.6 GHz頻帶的帶阻特性，在通帶內(nèi)有良好的全向輻射方向圖，并且該天線尺寸小，易與電路集成，具有一定的使用價值。

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