一種新型八邊形可控雙陷波天線的分析與設計

姜兆能, 李曉陽, 瞿 晨, 孫 芳, 闞運鵬

(1.合肥工業大學 信息工程系,安徽 宣城 242000; 2.東南大學 毫米波國家重點實驗室,江蘇 南京 210096)

一種新型八邊形可控雙陷波天線的分析與設計

姜兆能1,2, 李曉陽1, 瞿 晨1, 孫 芳1, 闞運鵬1

(1.合肥工業大學 信息工程系,安徽 宣城 242000; 2.東南大學 毫米波國家重點實驗室,江蘇 南京 210096)

文章提出了一種新型貼片八邊形可控的雙陷波天線,該天線采用了八邊形貼片作為輻射單元,通過在微帶饋線上嵌入型枝節諧振結構來形成陷波特性,從而限制某些頻段的信號對超寬帶通信系統的影響。通過調整枝節諧振結構的長度,可以改變陷波頻段中心頻點的位置,從而實現超寬帶天線的陷波頻段可調,為超寬帶天線在不同頻段進行陷波應用提供便利。

貼片天線;雙陷波;諧振結構;可控;八邊形

0 引 言

微帶貼片天線[1-2]在一個薄介質基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，它采用微帶貼片作為輻射源,一般在100 MHz～100 GHz頻率范圍內,其饋電方式靈活,已廣泛應用于各種無線電設備中。微帶天線具有許多優點,比如占用空間較小,天線本身高度很低,容易與工作表面共形;由于微帶天線采用了印刷電路板技術,天線加工成本低,方便大規模制造。因此,超寬帶貼片天線成為學者們研究的熱點。同時,為了避免如WiMax 和WLAN 等窄帶通信系統對超寬帶通信系統的影響,對某些頻段的陷波特性研究也是目前的熱點話題。陷波特性根據美國聯邦通信委員會(FCC)在2002年規定的超寬帶通信頻段為3.1～10.6 GHz,傳統的陷波頻段范圍在3.4～3.36 GHz和5.15～5.825 GHz。隨著日前通信設備水平的不斷提高,人們所需不同波段的陷波要求越來越多。因此,盡可能地實現陷波頻段可控顯得越來越重要。目前常見的實現陷波特性的結構有采用寬槽結構[3-4]、類SRR結構[5-7]、在貼片上加諧振結構[8]、在輻射結構上增加縫隙結構[9]等。這類解決方法簡單、成本低廉、操作容易,因此具有重要的研究價值。

本文研究了一種新型貼片八邊形可控雙陷波天線,采用八邊形貼片作為輻射單元。通過增加嵌入型枝節開路槽諧振結構來實現雙陷波特性；通過改變槽的長度來改變陷波頻段中心頻點的位置，從而可以實現陷波頻段可控。

1 八邊形天線的結構

超寬帶八邊形天線的結構如圖1所示,天線的輻射單元由八邊形單極子結構構成,采用了矩形加1/4圓切角的接地板,饋電線到輻射單元采用矩形長條結構,天線采用50 Ω同軸轉接頭饋電。該超寬帶天線的設計思路參考文獻[10],通過這樣的設計可以使得天線的帶寬非常寬。介質板選用厚度為2 mm的FR4環氧樹脂(FR4-expoxy)板,介電常數εr=4.4,貼片都采用理想導體貼片。在八邊形的中心加載開口圓環槽用于改善天線的帶寬。根據HFSS軟件仿真的八邊形天線結構的駐波圖如圖2所示,由圖2可以看出,天線的駐波比(VSWR)在2～14 GHz頻段內小于2,相對帶寬達到150%。天線的具體尺寸見表1所列。

圖1 八邊形天線結構

圖2 八邊形天線結構的駐波圖

表1 天線尺寸 m

2 仿真結果分析

2.1 陷波頻段中心頻點的位置可控分析

在微帶饋電線上嵌入一個開路槽諧振器,如圖3所示,超寬帶天線具備了陷波特性,從而能避免來自WiMax以及WLAN系統的信號干擾。開路槽諧振器的尺寸見表2所列。經過對開路槽諧振結構長度的調整,改變陷波頻段中心頻點的位置,可以實現不同頻段系統信號的限制。陷波頻段的中心頻率隨諧振結構長度的變化如圖4所示,改變諧振器長度L6的大小,單波的中心頻率會隨著長度的變化而移動,從而達到陷波頻段可控的效果。

圖3 單陷波天線和開路槽諧振器結構

表2 單陷波天線的開路槽諧振器結構尺寸 mm

圖4 陷波頻段的中心頻率隨諧振結構長度的變化

2.2 雙陷波特性的情況分析

在天線的工作頻帶內,很可能會受到多個信號的干擾,這就要求天線具有多個陷波的功能。本文給出了天線帶寬內2個陷波的情況。通過對圖3中諧振結構添加1個支節,如圖5所示,從而得到雙陷波的特性。開路槽諧振器的尺寸見表3所列。雙陷波天線的駐波值如圖6所示,駐波比在3.7～4.2 GHz 和7.7～8.5 GHz 2個頻段內明顯大于3,阻止了信號通過,可以看出很好地限制了2個頻段內的信號干擾。

圖5 添加1個支節的雙陷波天線結構和開路槽諧振器結構

表3 雙陷波天線的開路槽諧振器結構尺寸 mm

圖6 雙陷波天線的駐波值

2.3 天線的增益圖

天線的增益隨頻率變化的曲線如圖7所示。

圖7 天線的增益隨頻率變化的曲線

從圖7中可以看出,天線在3.7～4.2 GHz 和7.7～8.5 GHz 2個頻段內的峰值增益出現了陡降現象,這一現象更進一步證明所設計天線對于以上2個頻段的電磁波具有良好的帶阻陷波效果,降低了對其電磁波的輻射能力,而在超寬帶通信系統工作的其他頻段內,則具有2.8 dB以上的穩定的輻射增益。

3 結 論

本文提出一種具有陷波可控的超寬帶八邊形天線,通過添加開路槽諧振結構來實現陷波特性。經過對槽諧振結構尺寸的調整,改變陷波頻段中心頻點的位置,可以滿足不同頻段系統信號的限制要求。通過仿真結果可以看出,該天線除了具有良好的陷波特性外,在輻射方向性上也表現出色。根據本文的方法,可以實現3個及更多頻段陷波,整個陷波過程對天線的整體尺寸不影響,因此具有一定的研究意義。

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(責任編輯 張 镅)

Analysis and design of a new type of eight-edge shaped antenna with controllable double notches

JIANG Zhaoneng1,2, LI Xiaoyang1, QU Chen1, SUN Fang1, KAN Yunpeng1

(1.Dept. of Information Engineering， Hefei University of Technology， Xuancheng 242000， China; 2.State Key Laboratory of Millimeter Waves， Southeast University, Nanjing 210096， China)

A new type of eight-edge shaped controllable double notch antenna is proposed. The antenna adopts eight-edge shaped patch as the radiation element， affecting the signal by embedding type side resonant structure in microstrip feeder to limit certain frequency band of ultra wideband communication systems. By adjusting the side length of the resonant structure， the center frequency band notch position can be changed. Thus the controllable notch frequency band of the ultra wideband antenna can be realized， providing convenience for the ultra wideband antenna in different frequency bands.

patch antenna; double notches; resonant structure; controllable; eight-edge

2015-12-17;

2016-02-23

國家自然科學基金資助項目(61501159);安徽省自然科學基金資助項目(1608085MF124)和毫米波國家重點實驗室開放課題資助項目(K201602)

姜兆能(1985-),男,江蘇灌南人,博士，合肥工業大學講師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.013

TN828

A

1003-5060(2017)08-1074-03