一種具有雙陷波特性的超寬帶天線設(shè)計(jì)

五邑大學(xué)信息工程學(xué)院 湯恒亮 李繼嵐 張 昕

一種具有雙陷波特性的超寬帶天線設(shè)計(jì)

五邑大學(xué)信息工程學(xué)院 湯恒亮 李繼嵐 張 昕

【摘要】在現(xiàn)有超寬帶天線改進(jìn)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)出一種超寬帶雙陷波天線。通過(guò)在天線接地面上添加對(duì)稱的雙L形調(diào)諧枝節(jié)，實(shí)現(xiàn)UWB頻段雙陷波特性。使用Ansoft HFSS軟件對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物天線測(cè)試，結(jié)果表明∶這種改進(jìn)型天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，天線在3-12GHz工作頻帶內(nèi)滿足電壓駐波比小于2。在3.2-3.7GHz、5.15-5.8GHz頻帶內(nèi)具有較好的陷波特性。

【關(guān)鍵詞】共面波導(dǎo)；超寬帶天線；雙陷波

1.引言

隨著室內(nèi)高速無(wú)線接入技術(shù)的發(fā)展，特別是在IEEE 802 15.3a標(biāo)準(zhǔn)提出了將3.1-10.6GHz的頻帶劃為超寬帶通信使用之后［1］，超寬帶系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越具有吸引力。但在超寬帶通信頻帶內(nèi)還存在著其他窄帶通信系統(tǒng)，為避免超寬帶系統(tǒng)與窄帶通信系統(tǒng)間的相互干擾，必須采用具有帶阻特性的超寬帶天線［3-6］。

很多學(xué)者對(duì)超寬帶陷波天線進(jìn)行了研究［7］，文獻(xiàn)［2］通過(guò)在天線的輻射單元刻蝕U形槽和在接地板上添加L形調(diào)諧枝節(jié)實(shí)現(xiàn)了天線在3.5GHz、5.5GHz的陷波，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文在此基礎(chǔ)上作出了改進(jìn)，在天線的接地面刻蝕對(duì)稱的雙L形調(diào)諧枝節(jié)，實(shí)現(xiàn)了超寬帶天線在3.5GHz、5.5GHz的雙陷波特性。通過(guò)三維電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模和優(yōu)化。

圖1 文獻(xiàn)2所設(shè)計(jì)天線

圖2 雙陷波超寬帶天線的結(jié)構(gòu)圖

圖3 雙陷波超寬帶天線的實(shí)物圖

圖4 天線電壓駐波比的仿真和測(cè)試圖

表1 雙陷波超寬帶天線的相關(guān)參數(shù)（單位：mm）

圖5 H平面方向圖

2.天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)原理

本文采用厚度為0.508mm，相對(duì)介電常數(shù)為3.66、損耗角正切為0.0037的Rogers 4350B介質(zhì)板，整個(gè)天線尺寸為W × L×H為32mm×32mm×0.508mm，該天線采用共面波導(dǎo)饋電，使用TXLINE軟件計(jì)算出饋電線寬度s=1.0mm，饋電線與地板的縫隙g=0.3mm。天線的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖分別如圖2和圖3所示。

利用HFSS仿真軟件對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行掃描和優(yōu)化，最后得到符合所需天線的尺寸參數(shù)。天線優(yōu)化后的尺寸由表1給出。

3.天線性能的比較

3.1 仿真與實(shí)物天線性能比較

圖4給出了天線VSWR的仿真與測(cè)試結(jié)果。從中可以看出天線在3-12GHz內(nèi)電壓駐波比小于2，在3.2-3.7GHz、5.15-5.8GHz頻段實(shí)現(xiàn)陷波。將測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果相比較，可以看到兩者大體上吻合，但也有一些偏差。天線加工制作的精度、SMA 接頭焊接技術(shù)以及介質(zhì)基板質(zhì)量等，都是導(dǎo)致這些偏差的可能原因。

天線在H面和E面的二維極化方向圖仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖可看出，隨著頻率升高方向圖雖然發(fā)生變形，但在整個(gè)通帶內(nèi)能基本保持穩(wěn)定，H面方向圖呈現(xiàn)類似偶極子的啞鈴型，H面方向圖有良好的全向性，滿足超寬帶通信需求。

圖6 E平面方向圖

3.2 與文獻(xiàn)［2］天線性能的比較

圖7和圖8分別給出了本文設(shè)計(jì)的雙陷波超寬帶天線的增益仿真圖和文獻(xiàn)［2］天線的增益仿真圖。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計(jì)的天線陷波增益更好，并且在天線的高頻段增益更穩(wěn)定，不會(huì)有很明顯的跳變。結(jié)果對(duì)比如表2所示。從表2可以看出本文所設(shè)計(jì)天線陷波特性和增益優(yōu)于文獻(xiàn)2。

圖7 雙陷波超寬帶天線的增益仿真圖

圖8 文獻(xiàn)2天線的增益仿真圖

表2 陷波增益對(duì)比

4.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款具有雙陷波特性的超寬帶天線，天線的整體尺寸為32mm*32mm*0.508mm，通過(guò)在天線的接地面上添加一對(duì)對(duì)稱的雙L形調(diào)諧枝節(jié)實(shí)現(xiàn)天線的雙陷波特性。與文獻(xiàn)［2］的雙陷波天線相對(duì)比，本文所設(shè)計(jì)的天線陷波特性更好，頻率增益更穩(wěn)定。同時(shí)在通帶內(nèi)具備全向輻射特性和穩(wěn)定的增益，該天線體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］Federal Communications Commission. First Report and Order Revision of Part 15 of the Commission Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems［S］， 2002.

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［3］Su S T.Design of dual band-notched planar inverted cone ring antenna for UWB communicate-ons［J］.Microwave & Optical Technology Letters，2014，56（2）∶284-287.

［4］周海進(jìn)，孫保華，李建峰，等.具有雙陷波特性的超寬帶天線設(shè)計(jì)與研究［J］.微波學(xué)報(bào)，2009，25（3）∶13-17.

［5］Xu J，Shen D Y，Wang G T，et al.A Small UWB Antenna with Dual Band-Notched Characteristics［J］.International Journal of Antennas & Propagati-on，2012，2012（2）∶1018-1020.

［6］Su S T.Design of dual band-notched planar inverted cone ring antenna for UWB communications［J］. Microwave & Optical Technology Letters， 2014，56（2）∶284-287.

［7］Pouyanfar N.CPW-FED UWB antenna with band-stop properties［J］. Microwave & Optical Technology Letters，2013， 55（7）∶1533-1537.

A ultra wideband antenna with dual band notch characteristic

TANG Heng-liang，ZHANG Xin，LI Ji-lan
（School of Electronic Information Engineering ，Wuyi University， Jiangmen Guangdong 529000，China）

Abstract：The ultra wideband antenna is proposed with dual band notch characteristic in this paper. The double-band UWB notch characteristic is achieved by adding double L-shaped tuning stub on the antenna ground plane symmetrical. The antenna is tested by Ansoft HFSS simulation software and physical measurement. The results show the VSWR in 3-12GHz of less than 2 and a notch characteristic in 3.2-3.7GHz and 5.15-5.8GHz.

Key words：CPW； Ultra-wideband（UWB）； Double notch