一種緊湊型超寬帶雙陷波天線的設計

王友保,鄭大鵬,劉 振

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院,江蘇 南京 210044)

自從2002年美國聯邦通信委員會(Federal Communicatuins Commission,FCC)將3.1～10.6 GHz頻段定義為超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)[1]以來,超寬帶通信系統因具有高傳輸速率、高容量、低檢測率和高分辨率等優點[2],迅速成為民用通信系統的研究重點,廣泛應用于醫學成像、礦井通信、智能物聯網等短距離無線通信系統。但是在UWB通信系統的工作頻帶中有多個窄帶通信系統占用[3],例如全球互聯接入IEEE 802.16 WiMAX(3.3～3.6 GHz),C波段衛星通信(3.7～4.4 GHz),數字微波通信(4.3～4.5 GHz),無線局域網IEEE 802.11a WLAN(Wireless Local Area Network,5.15～5.825 GHz),以及X波段衛星通信(7.2～7.6 GHz)等[4-6]。為了減小這些窄帶通信系統對UWB造成的噪聲干擾,在2003年,美國的Schantz等[7]提出在超寬帶天線上引入陷波結構的超寬帶陷波天線。

超寬帶陷波天線一經提出就受到廣泛關注,國內外很多機構和組織在大量文獻中提出了實現超寬帶陷波特性的結構。超寬帶天線主要通過改變輻射單元尺寸、結構和地板位置、形狀等方法,改變天線表面電流流向,提高其輻射能力[8-9]。具體包括在天線上引入寄生單元[10]、利用分形結構[11]、開槽[12]或增加新的諧振枝節[13]等。

文獻[4]選用在輻射貼片上刻蝕倒U形縫隙和叉形縫隙的方法實現了天線在3.3～4.0 GHz和5.05～5.90 GHz的陷波特性。文獻[14]將蘑菇型EBG(Electromagnetic Band Gap)結構耦合到微帶線實現陷波。文獻[15]通過加載互補開口諧振環(CSRR,Complementary Split-Ring Resonator)得到5.0～5.5 GHz和7.2～7.6 GHz兩個頻段的陷波。文獻[16]利用四分之一波長開路微帶諧振器實現了3.3～3.6 GHz和5.15～5.85 GHz兩個阻帶特性。

本文提出了一種緊湊型超寬帶雙陷波天線,在圓形輻射貼片上開L形槽和弧形槽實現陷波特性。通過對兩個陷波槽的參數分析實現了對天線陷波頻段的控制,從而使天線實現在 WiMAX(3.3～3.6 GHz)、WLAN(5.15～5.825 GHz)頻段較好的陷波特性。天線的回波損耗、輻射方向圖的測試結果和天線模型相應的仿真結果基本一致,表明除陷波頻段外,該天線具有良好的輻射特性,符合超寬帶通信系統對天線的基本要求,可以應用在無線超寬帶通信系統中。

1 天線設計與分析

1.1 天線設計

本文的天線基板材料選用相對介電常數εr=4.4,損耗角正切tanδ=0.02的FR4環氧樹脂介質板。天線采用共面波導饋電,饋電端口阻抗為50Ω。圖1(a)-(d)為超寬帶雙陷波天線設計過程。

圖1 超寬帶雙陷波天線設計過程Fig.1 Design steps of dual band-notched UWB antenna

對于微帶天線,其基本諧振頻率fr可以通過公式(1)[17]得到:

式中:εr為天線介質基板相對介電常數;Lg為天線地面的長度;Lr為天線輻射體長度;Ag為天線地面的面積;Ar為天線輻射體的面積。

利用公式(1)估算天線尺寸設計出共面波導饋電的天線1作為天線基礎模型(圖1(a)),天線1由圓形輻射體、微帶饋線和共面地三部分組成。將天線1中矩形共面地的頂角截去使共面地變為梯形,得到天線2(圖1(b))。圖2為天線的回波損耗對比圖,從圖2中可以看到將地面從矩形結構變為梯形結構實現了天線帶寬的拓寬,從而使天線的工作頻段能夠覆蓋3.1～10.6 GHz的頻段范圍。天線2的工作帶寬為3.0～10.95 GHz,滿足UWB系統工作要求。

在天線2的模型上引入倒L形槽s1實現第一陷波頻段。倒L形陷波槽總長度Ls1可以通過式(2)來估算。

式中:fnotch為陷波波段中心頻率;c為光速。圖3為天線3中Ls1長度與天線回波損耗的關系,選擇3.3～3.6 GHz作為第一陷波頻段以避免WiMAX波段的噪聲干擾。天線3的最終陷波頻段為3.29～3.66 GHz。

圖2 天線1-4回波損耗對比Fig.2 Return loss antenna1-antenna4

圖3 L s1對天線回波損耗的影響Fig.3 Tuning return loss by adjusting the length of L s1

天線的另一個陷波頻段設計要求在5.15～5.825 GHz,由于該陷波頻段要求的帶寬較大,線形槽難以滿足天線的設計要求?；⌒尾圯^為平滑的邊緣可以更多地將表面電流聚集在槽的周圍,從而實現一個較寬的陷波頻帶。圖4為天線4中弧形槽寬度Ws2變化對天線性能的影響。由圖4可以看出,隨著弧形槽寬度的增加,天線的陷波頻段范圍也在擴大,最終選擇弧形槽寬度Ws2=0.4 mm,天線的第二陷波頻段為5.04～5.91 GHz。

最終超寬帶雙陷波天線結構如圖5所示,該天線由共面波導饋電共面地、微帶饋線、圓形貼片輻射體三部分組成。在圓形貼片輻射體上引入弧形槽和倒L形槽。天線總體尺寸為25 mm×25 mm×1.5 mm,各參數在表1中給出。

圖4 W s2對天線回波損耗的影響Fig.4 Tuning return loss by adjusting the length of W s2

圖5 超寬帶雙陷波天線結構Fig.5 Structure of the proposed dual band-notched UWBantenna

表1 天線尺寸表Tab.1 Geometry of antenna mm

1.2 天線陷波特性分析

圖6中分別給出了超寬帶雙陷波天線在兩個陷波波段中心頻率的表面電流分布圖。由圖6(a)可知,在3.5 GHz時天線的電流聚集在倒L形槽上,所以天線實現了在3.3～3.6 GHz頻段的陷波特性。在圖6(b)中,天線的電流主要分布在弧形槽中間部分和倒L形槽的末端。

圖6 天線表面電流分布Fig.6 Surface current distributions of the antenna

超寬帶雙陷波天線的倒L形槽和弧形槽陷波結構在電路圖中可以等效為兩個諧振枝節,可以理解為在天線2原有的等效電路中串聯兩個LC并聯諧振電路。圖7為超寬帶雙陷波天線等效電路圖,分別在3.5 GHz和5.5 GHz發生諧振,從而產生帶阻作用[8],形成兩個陷波頻段。

圖7 超寬帶雙陷波天線等效電路Fig.7 Equivalent circuit of the dual band-notched UWBantenna

2 實驗結果

圖8為所設計的天線實物圖。天線回波損耗采用Agilent N5227A進行實際測量,仿真和實測的回波損耗如圖9所示。從圖9中可以看出該天線的實測結果和仿真結果在低頻段有較高的一致性,在高頻段有一些偏移,這是由于天線的加工精度、天線SMA頭焊接、天線介質板材料色散等原因造成的。天線測試的工作帶寬能夠完全覆蓋3.1～10.6 GHz頻帶,并且在3.3～3.6 GHz,5.0～6.2 GHz有較好的陷波特性。

圖8 天線實物圖Fig.8 Photograph of the fabricated antenna

圖9 天線仿真與實測回波損耗Fig.9 Simulation and measured return loss of the antenna

圖10為天線在暗室測試圖。圖11為天線增益的仿真和測試結果,從圖11中可以得到在6～10.5 GHz天線增益均在1.5 dBi以上,并且在陷波頻段增益均在0 dBi以下。

圖10 天線測試照片Fig.10 Photograph of the antenna measured

圖11 天線增益仿真和測試結果Fig.11 Simulated and measured gain of the antenna

圖12為不同頻率輻射方向圖的仿真與測試結果,圖中分別給出了天線在3,4.5,8和10.5 GHz四個頻點上的方向圖測試結果,可以看出天線在四個頻點實測與仿真結果基本吻合,天線方向圖在φ=0°時接近“8”字形,φ=90°時接近圓形,實現較好的輻射特性,可以滿足超寬帶通信系統對于天線輻射性能的基本要求。

表2中將本文所提出天線與其他文獻類似天線進行了對比?？梢钥闯霰疚乃岢龅某瑢拵щp陷波天線的陷波波段更加接近WiMAX/WLAN所要求的陷波波段,能夠實現更好的抗干擾特性。同時本文所提出的超寬帶雙陷波天線具有更小的尺寸,滿足現代通信系統對于天線小型化的要求。

3 結論

本文提出了一種超寬帶雙陷波天線,該天線可以穩定工作在3.1～10.6 GHz頻段內。天線引入倒L形槽和弧形槽來實現在 WiMAX(3.3～3.6 GHz)、WLAN(5.15～5.825 GHz)頻段較好的陷波特性。加工制作了超寬帶雙陷波天線,并對天線回波損耗和輻射方向圖進行了測試。仿真與測試結果表明除陷波頻段外,該天線具有良好的輻射特性,符合超寬帶通信系統對天線的基本要求,可以應用在無線超寬帶通信系統中。

圖12 天線輻射方向圖Fig.12 Radiation patterns for the antenna

表2 本文天線與其他文獻類似天線對比Tab.2 Comparison of the proposed antenna with the recent similar band-notch UWB antennas