一種單阻帶超寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與研究

王靈敏，單江東

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012）

近年來，超寬帶（Ultra Wideband，UWB）技術(shù)在無線通信方面的應(yīng)用得到了進(jìn)一步關(guān)注和更為深入的研究.超寬帶系統(tǒng)抗干擾性能強(qiáng)，傳輸速率高，系統(tǒng)容量大發(fā)送功率非常小，安全性高。 UWB 天線作為UWB 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，在工作頻帶內(nèi)不僅需要具備阻抗匹配和平坦的增益[1－2]，而且需要在某些已被其他無線業(yè)務(wù)所占用的關(guān)鍵頻段提供缺口， 盡可能降低收發(fā)干擾。平面單極子天線具有很多吸引人的特點(diǎn)而得到越來越多的重視和研究，如體積小重量輕加工簡(jiǎn)單且易于集成等優(yōu)點(diǎn)且能很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸率高，低功耗，全向覆蓋特性等[2]。

自從聯(lián)邦通信委員會(huì)在2002 將3.1～10.6 GHz 劃為民用以來，激起了研究者的極大興趣。UWB 頻段覆蓋的頻段較寬，同時(shí)覆蓋了其他的無線通信頻段，如WLAN 頻段。 由此，設(shè)計(jì)和研究具備覆蓋WLAN 頻率范圍的阻帶特性的超寬頻天線用以減少UWB 和WLAN 系統(tǒng)之間的干擾是非常有必要的。1近年來, 不少研究人員提出了各種帶有阻帶功能的超寬頻天線用于超寬頻通訊系統(tǒng)[3－5]。 一些通過在輻射貼片或者地板開不同形狀的槽可以獲得具有阻帶特性的天線，如L 形槽，V 形槽及其混合型槽[6－7]，另一些通過附加寄生貼片來實(shí)現(xiàn)天線的阻帶特性。

超寬帶天線設(shè)計(jì)中有一個(gè)重要的準(zhǔn)則：“粗胖者佳”，即采用所謂的“粗胖單元”，既可以使用占用較大體積的球體，也可以是平面的圓形結(jié)構(gòu)，正是依據(jù)這一準(zhǔn)則，文中所提共面波導(dǎo)饋電單極天線超寬帶天線輻射單元采用了近似于圓形的五邊形金屬貼片. 文中所設(shè)計(jì)天線在頻率段2.4～10.9 GHz 內(nèi) （除5.1～5.9 GHz 外）天線駐波比小于2，且天線具有近似全向輻射的特性；而天線在頻率段5.00～5.95 GHz 內(nèi)形成了阻帶，從而有效阻隔了WLAN（5.150～5.825 GHz)頻率段。 作者對(duì)所提天線進(jìn)行仿真，制作，實(shí)測(cè)。仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能較好吻合，所得數(shù)據(jù)表明，該天線適用于UWB 應(yīng)用并具有有效的阻帶特性。

1 天線設(shè)計(jì)

文中天線結(jié)構(gòu)配置如圖1 所示。 所提天線由在帶有凹槽的不規(guī)則五邊形貼片和和兩個(gè)L 形地板共同印制在介電常數(shù)4.4 的32 mm*28 mm*1.6 mm 大小的低價(jià)FR4 介質(zhì)板同一表面構(gòu)成，通過共面波導(dǎo)傳輸線進(jìn)行饋電，五邊形兩個(gè)低角進(jìn)切除了兩個(gè)三角形形成階梯狀， 以便更好的與50－Ω 微帶傳輸線進(jìn)行匹配。 微帶線寬W2=2 mm,微帶線與兩邊地間縫隙g=0.4 mm。 文中天線其余部分具體尺寸如下：

L=32 mm,L1=8 mm,L2=9 mm，L3=12 mm,L4=1.5 mm,L5=L6=mm,L7=6 mm,R2=6.5 mm,W1=12.6 mm，W2=2 mm,W3=4 mm,W4=9 mm,W5= 20mm,W6=0.5 mm,H=1.6 mm，α=195°。 天線實(shí)物如圖2 所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Photograph of the proposed antenna

圖2 天線實(shí)物圖Fig. 2 Geometry of the proposed antenna with C-shaped slot

2 仿真和測(cè)試結(jié)果

所提天線由Ansoft HFSS 軟件構(gòu)建和仿真，并用Anritsu 37269C vector network analyzer 進(jìn)行了測(cè)試。 如圖3 所示。

圖3 天線駐波比（VSWR）的仿真和測(cè)試結(jié)果Fig. 3 VSWR of the proposed antenna

圖3 所示是仿真和實(shí)測(cè)阻抗帶寬，兩者很吻合。仿真和測(cè)量結(jié)果之間的差異可能由測(cè)量的環(huán)境效應(yīng),SMA 連接器效果,制造缺陷和介質(zhì)板質(zhì)量造成,這些因素在模型過程未考慮。 所提天線具有好的阻抗帶寬， 駐波比小于2:1 的范圍覆蓋了2.2～10.8 GHz， 并形成了以5.5 GHz 為中心頻率的阻帶特性。為了更好的說明C 形縫隙對(duì)天線阻帶特性的影響。 下文分別對(duì)α 和R2對(duì)天線駐波比的影響進(jìn)行了具體分析。

圖4 給出了C 形縫隙角度α 對(duì)阻帶中心頻率和影響，可以看出，隨著角度增大，阻帶中心頻率往高頻方向移動(dòng)。 由此可見，C 形縫角度越小，導(dǎo)致阻帶中心頻率偏移越嚴(yán)重，為了保證阻帶中頻在5.5 GHz 附近，最合適的α 選擇195°。

圖4 α 對(duì)天線駐波比（VSWR）的影響Fig. 4 Relations between the VSWR and variations of α

圖5 給出了C 形縫隙半徑R2對(duì)阻帶帶寬的影響， 隨著R2 的增大阻帶帶寬往低頻增大。 C 形槽半徑越大，有效總長(zhǎng)度越大，對(duì)天線表面電流分布影響越大，越能影響電流流向和強(qiáng)弱分布。 電流在遇到C 形槽時(shí)，受到阻礙改變?cè)瓉砹飨蚝头植?，而沿著C 形槽周圍分布，使得槽周圍電流分布變強(qiáng)，產(chǎn)生阻帶特性。

圖5 R2 對(duì)天線駐波比（VSWR）的影響Fig. 5 Relations between the VSWR and variations of R2

圖6 （a）(b)(c)(d)給出了2.4,5.5，和7 GHz 處的XZ 面和YZ面線性極化和正交極化方向圖。 從結(jié)果看出所提天線具有較好全向性。

圖7 給出了5.5 GHz 處的表面電流分布圖。從圖看出，在5.5 GHz 處表面電流明顯聚集的c 槽周圍，這是由于c 槽干擾了表面電流的正常分布而沿著c 槽的路徑流動(dòng)， 從而形成阻帶特性。

圖6 天線在頻點(diǎn)(a) 2.6GHz, (b) 5.5GHz, and (c) 7 GHz 處遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖Fig. 6 Measured radiation far-field patterns for the proposed antenna at (a) 2.6GHz, (b) 5.5GHz, and (c) 7

圖7 天線5.5 GHz 處表面電流分布圖Fig. 7 The surface current distribution of antenna at 5.5 GHz

圖8 給出了所提天線在工作頻段內(nèi)某些離散點(diǎn)處峰值增益,在5.5 GHz 附近增益明顯下降，表現(xiàn)出阻帶特性。 數(shù)據(jù)進(jìn)一步表明所提天線能很好勝任UWB 應(yīng)用。

圖8 天線增益值Fig. 8 Measured gain values of the proposed antenna

3 結(jié)論

文中提出了一種不規(guī)則五邊形超寬帶天線， 該天線在2.2～10.8 GHz 范圍了滿足VSWR＜2， 并且通過在輻射貼片上插入C 形縫隙在5.1～5.9 GHz 頻段內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了阻帶特性，同時(shí)表現(xiàn)出好的全向輻射模式，具備UBW 應(yīng)用所需特性，而且體積小，質(zhì)輕，成本低。 仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)的高度相近，表明文中所提天線對(duì)于UWB 系統(tǒng)是一個(gè)誘人的選擇。

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