基于U形槽和開口圓環的雙陷波超寬帶天線

童 波， 吳先良， 肖 龍， 張 量

(1.安徽大學 電子信息工程學院,安徽 合肥 230601; 2.合肥師范學院 電子信息工程學院,安徽 合肥 230601)

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基于U形槽和開口圓環的雙陷波超寬帶天線

童 波1， 吳先良1， 肖 龍1， 張 量2

(1.安徽大學 電子信息工程學院,安徽 合肥 230601; 2.合肥師范學院 電子信息工程學院,安徽 合肥 230601)

文章設計了一種新穎的超寬帶天線,天線結構簡單、尺寸小并且具有雙陷波特性。在接地板上刻蝕1個半圓形口徑,該口徑帶有3個階梯形缺口,以此激發一個新的諧振頻率,從而拓展天線的阻抗帶寬;在方形輻射貼片上加載開口圓環,同時在饋線上開U形槽，以獲得雙陷波特性。仿真和測試結果表明,該天線可以有效地抑制WiMax、C波段衛星通信和WLAN 3種窄帶信號的干擾;對開口圓環的參數研究表明,開槽結構能更靈活地控制陷波中心頻率;該天線在陷波頻段外具有良好的增益和全向輻射特性,滿足超寬帶通信系統的應用。

超寬帶天線;雙陷波特性; 開口圓環;U形槽;全向輻射

自從2002年美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission,FCC)將3.1～10.6 GHz的頻段分配給超寬帶通信系統[1]以后,超寬帶技術的研究在商業領域和學術領域得到了廣泛的發展。然而,超寬帶天線的設計面臨著許多挑戰,包括阻抗匹配、輻射穩定性、緊湊尺寸、低制造成本和電磁干擾等問題。其中,電磁干擾問題最為嚴重,因為超寬帶通信系統的工作頻段覆蓋了其他的窄帶通信頻段,如全球微波互聯網絡(WiMax,3.4～3.6 GHz)、C波段衛星通信(3.7～4.2 GHz)和無線局域網(WLAN,5.150～5.825 GHz)等其他通信系統。為了抑制這些頻段的電磁干擾,傳統方法是使用外接濾波器,但是研究者們更希望在超寬帶天線的基礎上引入一種陷波結構,為此,2003年Schantz提出了具有頻帶阻隔效應的陷波天線[2]。

目前,國內外已有很多文獻研究了具有陷波特性的超寬帶天線[3-11]。產生陷波的主要方式有3種，即加入匹配枝節[3-4]、引入寄生單元[5-6]及開槽[7-11]。其中,加入匹配枝節雖然結構簡單,但是由于枝節長度有限,所以陷波頻率不能太低;引入寄生單元可能會增大天線輻射面的尺寸;而開槽的方法不僅不會增加天線輻射面的尺寸,而且結構簡單,對頻帶內阻抗匹配影響小,因而被廣泛使用。文獻[7]提出了一種在矩形貼片上開2個T形槽來實現陷波特性,但只能得到1個陷波,不能同時避免來自不同通信系統的干擾;文獻[8]和文獻[9]分別通過在貼片上開C形槽、U形槽和L形槽、E形槽得到雙陷波特性,但這些形狀的開槽方式不能有效地控制陷波中心頻率;文獻[10]通過改進互補開口諧振環(complementary split-ring resonators,CSRR),使用單個方形CSRR得到雙陷波特性,但其陷波帶寬很窄,不能完全覆蓋干擾頻段;文獻[11]提出的圓弧狀H形槽雖然可以有效地控制陷波中心頻率,但結構復雜,天線尺寸較大。

本文設計了一種基于U形槽和開口圓環的雙陷波超寬帶天線。通過改變開口圓環的多個參數來控制陷波的中心頻率,同時在饋線上開U形槽使得天線具有雙陷波功能。仿真和實測結果表明,該天線在通帶頻段范圍內(3.00～3.40 GHz、4.20～5.15 GHz和6.00～12.00 GHz)滿足電壓駐波比小于2,而在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2個陷波頻段內電壓駐波比大于2。另外,該天線結構簡單、尺寸小,在通帶內具有全向輻射特性和穩定的增益,使得該天線有一定的實際使用價值。

1 天線結構和設計原理

本文設計的雙陷波超寬帶天線如圖1所示。天線印制在相對介電常數為4.4、厚度為1 mm的FR4板上,由50 Ω微帶線進行饋電。天線的基本結構是由1個方形輻射貼片、1個饋線和1個接地板構成。方形貼片的寬為Lt,連接著1個長為L1和寬為W1的饋線。在介質基板的另一面,放置1個長為L和寬為W的導電接地平面。圖1中,r為開口圓環的外半徑;θ為開口兩邊的夾角;g為開口圓環外半徑與內半徑之間的間距。

圖1 雙陷波超寬帶天線

從天線的正面看,通過引入開口圓環和U形槽天線具有了雙陷波特性。從原理上說,開口圓環和U形槽的引入相當于在天線中引入1個半波長諧振結構,其總長度可用(1)式近似計算,即

(1)

其中,fnotch為陷波處的中心頻率;c為光速;εr為介質板的相對介電常數。天線結構中各參數的具體尺寸見表1所列。

表1 雙陷波超寬帶天線參數尺寸 mm

為了觀察加入開口圓環和U形槽后天線的電壓駐波比變化,利用電磁仿真軟件HFSS 13.0對天線電壓駐波比進行仿真計算,結果如圖2所示。

圖2 加入縫隙前后天線的電壓駐波比

由圖2可知,天線加入開口圓環和U形槽后,在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2個頻段內產生了陷波。

2 實驗結果分析

2.1 開口圓環參數的研究

為了獲得3.4～4.2 GHz的陷波,在方形的輻射貼片上加載1個開口圓環,開口圓環的引入會改變天線的電流分布,從而實現陷波功能。

為了研究開口圓環各參數對陷波結果的影響及影響的程度,保持其他參數不變,對開口圓環的參數逐一研究,結果如圖3所示。

圖3 開口圓環不同參數下的電壓駐波比

由圖3可知,參數r僅改變0.2 mm,陷波的中心頻率就明顯發生變化,而且隨著r的增加,陷波將向低頻位置移動,這與(1)式吻合;隨著角度θ的增加,每次增加4°,陷波將向高頻位置移動,陷波深度也會增加,但變化并不明顯;隨著內外環間距g的增加,每次增加0.1 mm,陷波將向高頻位置移動,陷波帶寬增加,陷波深度也增加。最終,通過不斷的仿真優化，將開口圓環的各參數設定為r=4 mm,g=0.2 mm,θ=5°。

通過上述研究發現,開口圓環參數r和g對結果影響較大,參數θ對結果影響較小,這樣就可以靈活地調整各參數,達到理想的結果。因此,開口圓環應用于陷波當中更有優勢。

2.2 天線陷波原理

為了解釋陷波產生的原因以及確認開口圓環和U形槽與2個陷波頻段對應的關系,采用HFSS 13.0對天線的表面電流進行計算,觀察其電流變化。分別對3.85 GHz和5.50 GHz 2個陷波中心頻率進行仿真,結果如圖4所示。

圖4 2個陷波點的表面電流分布

由圖4a可以看出,當天線工作在3.85 GHz時,輻射貼片上的表面電流主要集中在開口圓環周圍,此時天線在開口圓環處呈駐波狀態,無法正常工作;由圖4b可以看出,當天線工作在5.50 GHz時,輻射貼片上的表面電流主要集中在U形槽周圍,此時天線在U形槽處呈駐波狀態,無法正常工作。

為了進一步確認開口圓環和U形槽與2個陷波頻段對應的關系,使用電路模型進行解釋[12]。天線的電路等效模型如圖5所示。

圖5 天線的電路等效模型

圖5a為天線加入開口圓環和U形槽的等效電路模型;圖5b為天線工作在通帶的等效電路模型;圖5c為天線工作在3.40～4.20 GHz陷波頻段的等效電路模型;圖5d為天線工作在5.15～6.00 GHz陷波頻段的等效電路模型。

當天線工作在通帶頻段時,天線的輸入阻抗并不會發生變化,它與加入陷波結構前的輸入阻抗一樣。當天線工作在3.40～4.20 GHz的陷波頻段時,引入的開口圓環會改變天線的輸入阻抗，其原理為:當引入開口圓環后相當于在電路中串聯了一個并聯的LC諧振電路,當LC諧振電路發生并聯諧振時,天線輸入阻抗變得很大,這時,電路呈現開路狀態,天線在輸入端呈現很大的反射系數,天線呈駐波狀態,無法正常工作,即產生了陷波功能。而當天線工作在5.15～6.00 GHz的陷波頻段時,引入的U形槽會改變天線的輸入阻抗，其原理為:當引入U形槽后相當于在電路中并聯了一個串聯的LC諧振電路,當LC諧振電路發生串聯諧振時,天線輸入阻抗變得很小,這時,電路呈現短路狀態,天線在輸入端也呈現很大的反射系數,天線呈駐波狀態,無法正常工作,產生了陷波功能。

2.3 天線實測結果分析

根據以上試驗研究得出的數據,加工了天線實物,如圖6所示。

圖6 天線實物

利用Agilent E5071C矢量網絡分析儀對天線進行測試,將得到的電壓駐波比與仿真結果進行對比,結果如圖7所示。從圖7可以看出，測量結果與仿真結果基本吻合,天線在通帶頻段范圍內滿足電壓駐波比小于2,而在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2個頻段內實現了陷波;實測與仿真結果存在微小誤差，主要是因為實際的FR4介質板的介電常數會在4.2～4.7之間波動,另外加工精度、介質板的損耗以及SMA接頭也會有一定的影響。

圖7 雙陷波超寬帶天線的電壓駐波比

天線加入開口圓環和U形槽后的增益如圖8所示。從圖8可以看出,天線在整個通帶頻段內增益穩定,而在2個陷波頻段處,增益急劇下降,表明天線在此頻段將無法工作。從增益角度來看,該天線在通帶內能穩定工作,而在陷波處無法工作。

圖8 雙陷波超寬帶天線的增益

超寬帶天線工作在3.1～10.6 GHz,與普通的天線相比工作帶寬極寬,因此必須考察天線在整個通帶內是否具有全向輻射特性。選取4.5、6.5、8.0 GHz 3個頻點進行仿真,其歸一化方向圖如圖9所示。

圖9 雙陷波超寬帶天線的輻射方向圖

從圖9可以看出,天線在3個頻點處的H面(x-z)方向圖近似為一個圓,而E面(y-z)方向圖與偶極子天線類似。測試和仿真結果表明該天線具有全向輻射特性,滿足超寬帶通信系統的工作要求。

3 結 論

本文設計了一種新穎的雙陷波超寬帶天線。通過在輻射貼片上加載開口圓環以及在饋線上開U形槽得到雙陷波特性。該天線結構簡單、尺寸小,在通帶內能夠穩定地工作,而在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2個頻段產生陷波,有效地抑制了WiMax、C波段衛星通信和WLAN 3種窄帶信號的干擾。對開口圓環的各參數進行研究,結果表明這種陷波結構可以靈活地控制陷波中心頻率。此外,通過電流密度分布圖和電路原理解釋了陷波頻段與開口圓環和U形槽的關系。最后,本文對所設計的天線加工制作并測試,測試結果與仿真結果基本吻合,表明了該天線具有較好的陷波特性和輻射特性,能夠應用于實際。

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(責任編輯 胡亞敏)

Dual band-notched ultra-wideband antenna based on U-shaped slit and split ring slot

TONG Bo1, WU Xianliang1, XIAO Long1, ZHANG Liang2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China; 2.School of Electronics and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230601, China)

In this paper, a novel ultra-wideband(UWB) antenna is designed, which has the properties of simple structure, small size and dual band-notched function. By etching a semi-circle-shaped aperture with three notched-steps on the ground, additional resonance is excited, and hence much wider impedance bandwidth can be produced. To generate the dual band-notched characteristic, a split ring slot is employed on the radiation element and a U-shaped slit is added on the microstrip line. The results of simulation and measurement show that the proposed antenna efficiently restrains the interference from narrow-band communication system, including WiMax, C-band satellite communication and WLAN. The parametric study of the spilt ring slot indicates that this structure can more flexibly control the central frequency of notched band. In addition, the designed antenna achieves a good gain and exhibits omnidirectional radiation patterns except at notched band, which make it suitable for UWB applications.

ultra-wideband(UWB) antenna; dual band-notched characteristic; split ring slot; U-shaped slit; omnidirectional radiation

2015-05-18；

2015-07-22

國家自然科學基金資助項目(61471001)

童 波(1989-)，男，安徽六安人，安徽大學碩士生；

吳先良(1955-)，男，安徽亳州人，安徽大學教授，博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.014

TN822.8

A

1003-5060(2016)09-1220-06