一款新型雙陷波超寬帶單極子天線設計

趙方雷, 廖同慶, 吳 昇

(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 計算機系,安徽 合肥 230601)

一款新型雙陷波超寬帶單極子天線設計

趙方雷1, 廖同慶1, 吳 昇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 計算機系,安徽 合肥 230601)

為了有效抑制現有的窄帶通信系統對超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)系統的干擾,文章設計了一種新型雙陷波平面超寬帶天線。通過在鈴形輻射單元上加載互補開口諧振環、在饋電線附件添加非對稱U形半波長阻抗諧振器,使得天線在3.4～3.6 GHz和5.1～5.9 GHz頻段內實現雙陷波特性;研究了實現天線陷波的原理,并分析了天線陷波結構對陷波特性的影響。測試結果表明,該天線輻射方向圖和增益特性良好,能夠有效地抑制全球微波互聯接入(WiMAX)和無線局域網系統(WLAN)的干擾。

超寬帶(UWB);平面;雙陷波;互補開口諧振環;半波長阻抗諧振器

由于具有傳輸速率高、抗多徑衰落能力強、系統成本和復雜度低等優點,超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)通信系統被廣泛應用在軍事通信、車載雷達、數字通信等領域。2002年,美國聯邦通信委員會將UWB應用于商業領域[1],工作在3.1～10.6 GHz的UWB通信系統得到了大力發展。超寬帶天線作為無線通信系統的重要組成部分,已成為近幾年研究的熱點。

在UWB通信系統的工作頻段內還存在其他窄帶通信系統,如無線局域網(WLAN,5.15～5.35 GHz,5.725～5.825 GHz)、IEEE 802.16全球微波互聯接入(WiMAX,3.4～3.6 GHz)和C波段衛星通信系統(3.7～4.2 GHz)。這些窄帶通信系統會對UWB系統的工作產生干擾,因此需要在UWB頻段對這些窄帶信號進行有效的抑制。近幾年,國內外不少學者對具有陷波功能的UWB天線進行了研究,通過在輻射單元上開槽[2-5]、在接地板上加載槽線結構[6-8]以及在輻射單元附件添加寄生單元[9-11],使天線在特定的頻段內實現陷波功能。基于以上研究,本文設計了一種新型UWB天線,通過在鈴形輻射單元上加載互補開口諧振環和在饋電線附件添加非對稱U形半波長阻抗諧振器來實現雙陷波功能。

1 天線結構

UWB天線使用非對稱半波長阻抗諧振器和互補開口諧振環實現陷波特性。開口諧振環有電耦合、磁耦合和混合耦合3種方式。電耦合和磁耦合下在中間插入電壁時諧振頻率[12]分別為:

(1)

(2)

其中,L和C為諧振單元的自電感和自電容;Lm和Cm為互感電感和互感電容。

對于混合耦合,既有電耦合又有磁耦合,其等效電路為兩者的并聯形式,在中間插入電壁時諧振頻率為:

(3)

本文根據以上分析設計了具有陷波功能的方形互補開口諧振環,天線正面的俯視圖如圖1所示。

天線設計的具體尺寸如下:a=13 mm,b=3 mm,Fw=1.5 mm,L1=5.6 mm,L2=2 mm,L3=5.2 mm,L4=4.8 mm，W=0.3 mm，W1=0.2 mm,W2=0.3 mm,W3=0.3 mm,g=0.1 mm,t=0.2 mm,d=0.05 mm。

圖1 3種耦合陷波結構天線俯視圖

該天線使用50 Ω微帶線饋電,使用長軸為14 mm、短軸為13 mm的半橢圓結構作為接地板,修剪后半橢圓短軸c=10.5 mm,有效地擴寬了天線的工作帶寬,滿足了超寬帶通信系統的要求。

修剪的橢圓接地板如圖2所示。

圖2 修剪的橢圓接地板

天線印刷在相對介電常數εr=10.2、厚度0.8 mm的Rogers RT介質板上。

2 天線陷波特性分析

為了深刻了解天線的陷波特性,需要研究非對稱U形半波長阻抗諧振器和互補開口諧振環的尺寸參數對天線陷波特性的影響。下面應用HFSS13.0研究半波長阻抗諧振器的長度L1、L2和互補開口諧振環長度L3、L4的變化以及不同耦合方式對天線陷波性能的影響。

(1) 耦合方式對天線陷波性能的影響。互補開口諧振環陷波結構耦合方式對天線陷波性能的影響如圖3所示。由圖3可知,磁耦合、混合耦合陷波結構均能在WiMAX頻段產生陷波特性,并且磁耦合陷波結構在陷波頻帶的高頻處相對于混合耦合陷波結構有更好的矩形度,對WLAN陷波頻帶影響較小;但是電耦合陷波結構不能在WiMAX頻段產生陷波特性,同時存在高次諧波,降低了天線的實用性,因此在下文研究中將其忽略。

圖3 互補開口諧振環耦合方式對陷波特性的影響

(2) 互補開口諧振環長度對天線陷波性能的影響。磁耦合互補開口諧振環長度L3和混合耦合開口諧振環長度L4的變化對天線陷波性能的影響如圖4所示。由圖4可以看出,隨著L3、L4的增大,陷波中心頻率降低;當L3=5.2 mm,L4=4.8 mm時,陷波中心頻率為3.5 GHz,使得天線在WiMAX頻段產生陷波。但是混合耦合陷波結構和磁耦合陷波結構均對非對稱U形半波長阻抗諧振器的陷波頻段產生了一定的影響。

圖4 互補開口諧振環長度對陷波特性的影響

(3) 非對稱U形半波長阻抗諧振器長度對天線陷波性能的影響。非對稱U形半波長阻抗諧振器長度L1、L2的變化對天線陷波性能的影響如圖5所示。由圖5可知,隨著L1、L2的增大,陷波中心頻率降低,陷波帶寬減小。當L1=5.6 mm,L2=2.0 mm時,陷波中心頻率在5.55 GHz,使得天線在WLAN頻段產生陷波,并且L1、L2的變化對互補開口諧振環的陷波頻段影響十分微弱。

通過以上仿真分析可知,可以通過調節耦合方式、非對稱U形半波長阻抗諧振器的長度以及互補開口諧振環的長度實現雙陷波特性。為了能夠更直觀地了解天線的陷波原理,給出了雙陷波UWB天線的輸入阻抗曲線及等效電路,如圖6所示。

圖5 U形半波長阻抗諧振器長度對陷波特性的影響

圖6 2種耦合陷波結構天線的輸入阻抗及等效電路

從圖6可以看出,天線在3.5 GHz附近,端口處的阻抗值達到最大,此時回路發生并聯諧振,電路開路,電磁能量存儲在互補開口諧振環附近;在5.5 GHz附近,端口處的阻抗值近似為0,天線回路發生串聯諧振、電路短路,電磁能量存儲在U形半波長阻抗諧振器。天線在這2個頻率點附近阻抗失配,從而在WiMAX和WLAN頻段形成阻帶實現陷波。

發生陷波現象時天線電場分布情況如圖7所示。由圖7可知,驗證分析是正確的。

圖7 2種耦合陷波結構在3.5、5.5 GHz時的電場分布

3 結果及分析

基于最優天線尺寸制作天線樣品,并對天線進行測量。

天線樣品如圖8所示。

圖8 天線樣品

天線電壓駐波比測量結果和增益仿真結果如圖9所示。

電壓駐波比測量結果表明,在3.5、5.5 GHz處天線產生了阻帶特性,驗證了設計的正確性;同時在整個工作的頻帶內具有比較平坦的增益特性,在3.5、5.5 GHz附近天線的增益顯著下降,有效地抑制了WiMAX、WLAN窄帶通信系統的干擾。

圖9 天線電壓駐波比的測量以及增益仿真結果

天線在3.0、4.0和7.0 GHz頻率點的E面和H面仿真方向圖如圖10所示。

由圖10可知,天線在E面方向圖呈現啞鈴形狀,類似于偶極子天線的方向圖;天線在H面有較好的全向性,可以接收來自各個方向的信號。

圖10 磁耦合和混合耦合陷波結構輻射方向圖

4 結 論

本文設計了一種新型平面UWB天線,采用修剪的漸變橢圓結構接地板和半橢圓寄生枝節來擴展帶寬,并在天線輻射貼片上加載互補開口諧振環和在饋電線附近添加U形半波長阻抗諧振器實現雙陷波特性;分析了不同耦合陷波結構、陷波結構長度對陷波特性的影響。本文設計的天線有效地抑制了WiMAX和WLAN窄帶系系對UWB通信系統的干擾。天線具有尺寸小、剖面低、輻射特性良好等優點,是一種具有一定使用價值的新型雙陷波UWB天線。

[1] Federal Communication Commission.First report and order in the matter of revision of part 15 of the commission’s rules regarding ultra-wideband transmission systems [R].USA:FCC.2002.

[2] KIM Y,KWON D H.CPW-fed planar ultra wideband antenna having a frequency band notch function[J].Electronics Letters,2004,40(7):403-405.

[3] CHU Q X,YANG Y Y.A compact ultrawideband antenna with 3.4/5.5 GHz dual band-notched characteristics[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2008,56(12):3637-3644.

[4] KIM J,CHO C S,LEE J W.5.2 GHz notched ultra-wideband antenna using slot-type SRR[J].Electronics Letters,2006,42(6):315-316.

[5] Medeiros C R,Costa J R,Fernandes C A.Compact tapered slot UWB antenna with WLAN band rejection[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2009,8(4):661-664.

[6] NG J B,SONG Y,YAN Z H,et al.Band-notched UWB printed antenna with an inverted-L-slotted ground[J].Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(1):260-263.

[7] FARROKH-HESHMAT N,NOURINIA J,GHOBADI C.Band-notched ultra-wideband printed open-slot antenna using variable on-ground slits[J].Electronics Letters,2009,45(21):1060-1061.

[8] ANTONIADES M A,ELEFTHERIADES G V.A compact multiband monopole antenna with a defected ground plane[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2008,7:652-655.

[9] KIM K H,CHO Y J,HWANG S H,et al.Band-notched UWB planar monopole antenna with two parasitic patches[J].Electronics Letters,2005,41(14):783-785.

[10] JANG J W,HWANG H Y.An improved band-rejection UWB antenna with resonant patches and a slot[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2009,8(4):299-302.

[11] JUNG J,LEE H,LIM Y C.Compact band-notched ultra-wideband antenna[J].Electronics Letters,2008,44(6):391-392.

[12] 李桐,翟會清,梁昌洪,等.矩形開口諧振環腔間耦合特性研究[J].西安電子科技大學學報(自然科學版),2013,40(1):26-29.

(責任編輯 胡亞敏)

Design of novel double band-notch ultra-wideband monopole antenna

ZHAO Fanglei1, LIAO Tongqing1, WU Sheng2

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

A novel planar ultra-wideband(UWB) antenna with double band-notched characteristics is designed to effectively minimize the interference of existing narrow-band communication system. The bell-shaped radiation patch and the feeder line are loaded with complementary split-ring resonator(CSRR) and asymmetric U-shaped half wavelength impedance resonators, respectively, to achieve the double band-notched characteristics within the frequency range between 3.4-3.6 GHz and 5.1-5.9 GHz. The mechanism of band-notch is discussed and the influence of antenna configuration is analyzed. This antenna is fabricated and tested. The results show that this antenna has good radiation patterns and gain curve and is capable of restraining the interference of both the WiMax and Wireless Local Area Network(WLAN).

ultra-wideband(UWB); plane; double band-notch; complementary split-ring resonator(CSRR); half wavelength impedance resonator

2015-07-30；

2015-09-22

安徽省高校省級自然科學基金資助項目(kj2014A234);教育部高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20123401120008)

趙方雷(1990-),男,山東濱州人,安徽大學碩士生; 廖同慶(1976-),男,安徽宿州人,博士,安徽大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.013

TN822.8

A

1003-5060(2017)02-0205-00