一種采用組合陷波結(jié)構(gòu)的新型超寬帶平面天線

曾文波,趙 嘉, 吳其琦

(廣西工學(xué)院 電子信息與控制工程系, 廣西 柳州545006)

1 引 言

超寬帶(Ultra-wideband,UWB)技術(shù)是在20 世紀(jì)90 年代以后發(fā)展起來的一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜔o線通信技術(shù),被列為未來通信的十大技術(shù)之一。自從美國聯(lián)邦通信委員會(huì)2002 年將3.1 ～10.6 GHz頻段劃分給民用超寬帶應(yīng)用后,超寬帶技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了迅猛的發(fā)展。

天線是無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分,其性能直接影響無線通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。通常來說,超寬帶天線在其頻段范圍內(nèi)必須具備很好的電氣特性,例如良好的阻抗匹配、穩(wěn)定的增益和方向圖。此外,實(shí)用的超寬帶天線還必須具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低、易于與有源電路集成等特點(diǎn)。

平面縫隙天線由于具有剖面低、重量輕、易加工、頻帶寬等特點(diǎn),在小型平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)上得到了廣泛的應(yīng)用。UWB 縫隙天線多采用寬縫隙結(jié)構(gòu)以獲得足夠的頻率帶寬。近年來,平面寬縫隙天線引起了天線設(shè)計(jì)者的注意,各種各樣的縫隙結(jié)構(gòu)包括圓形縫隙、橢圓形縫隙以及多邊形縫隙等,都被用于平面UWB 天線的設(shè)計(jì),并得出了很好的設(shè)計(jì)效果。此外,由于3.1 ～10.6 GHz的UWB 頻段覆蓋了一些現(xiàn)有無線局域網(wǎng)使用的頻段例如美國IEEE 802.11a 標(biāo) 準(zhǔn) 頻 段(5.15 ～ 5.35 GHz, 5.725 ～5.825 GHz)以及歐洲的HIPERLAN/2 (5.15 ～5.35 GHz, 5.47 ～5.725 GHz)等, 因此, 在實(shí)際 的UWB 通信系統(tǒng)中,必須盡可能地避免UWB 系統(tǒng)與上述窄帶系統(tǒng)間的相互干擾。鑒于此,帶陷波結(jié)構(gòu)、能有效濾除5 ～6 GHz頻率信號的UWB 天線,成為近年UWB 天線設(shè)計(jì)的一個(gè)熱點(diǎn)。

對于UWB 平面天線,可通過多種方法實(shí)現(xiàn)并控制其阻帶特性,例如在地板或饋電結(jié)構(gòu)上增加開路枝節(jié)[1-2]、在地板或饋電結(jié)構(gòu)增加窄縫隙等[3-4]。此外,基于SRR 結(jié)構(gòu)的帶陷UWB 平面天線也逐漸引起了設(shè)計(jì)者的興趣[5]。在現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道中,大多是采用單陷波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)單一的阻帶,雙陷波結(jié)構(gòu)則主要用于實(shí)現(xiàn)雙阻帶特性[6]。葉亮華、褚慶昕等人提出了組合陷波結(jié)構(gòu)的概念,即采用雙陷波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單一阻帶的設(shè)計(jì)思路[7]。單陷波結(jié)構(gòu)一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是阻帶內(nèi)天線回波損耗極值不夠大,表現(xiàn)為回波損耗的頻率響應(yīng)不夠陡峭,導(dǎo)致UWB 通信系統(tǒng)不能有效地濾除由無線局域網(wǎng)設(shè)備帶來的干擾。本文首先提出了一種新型UWB 平面寬縫隙天線的設(shè)計(jì),研究了天線主要尺寸對阻抗特性的影響,給出了天線電氣性能的仿真和測量結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,通過在叉型饋電結(jié)構(gòu)中增加開路枝節(jié),同時(shí)在地板開細(xì)裂縫的辦法,引入了組合陷波結(jié)構(gòu),通過HFSS 仿真設(shè)計(jì),使兩個(gè)陷波結(jié)構(gòu)均諧振于預(yù)定的阻帶中心頻率,獲得了更為陡峭的阻帶特性。

2 UWB 天線的設(shè)計(jì)

2.1 天線的結(jié)構(gòu)及工作原理

小型化超寬帶平面天線如圖1 所示,其中(a)為結(jié)構(gòu)示意圖,(b)為加工的實(shí)物圖。天線采用廉價(jià)的FR4 印刷電路板(PCB)為介質(zhì)基板,其相對介電常數(shù)εr=4.4,介質(zhì)基板的整體尺寸為30 mm×28 mm×0.8 mm。天線由一個(gè)多邊形寬縫隙和共面波導(dǎo)(CPW)饋電結(jié)構(gòu)組成,其中,CPW 饋電結(jié)構(gòu)包含一個(gè)叉型輻射單元和一個(gè)50 Ψ的CPW 微帶饋線,叉型輻射單元?jiǎng)t包含一條帶階梯變換的橫向枝節(jié)和兩條縱向枝節(jié)。多邊形縫隙和CPW 饋電結(jié)構(gòu)均被腐蝕在PCB 板的同一側(cè),并對稱于寬縫隙的中心線(y 軸)。

圖1 UWB 天線結(jié)構(gòu)圖及加工的天線樣本Fig.1 Configuration of the proposed UWB antenna

采用高頻電磁仿真軟件HFSS 對所設(shè)計(jì)天線的性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:天線在UWB 帶寬內(nèi)的最低工作頻率,主要由多邊型縫隙的寬度及其周長決定;而高頻部分的特性,則是主要由叉形輻射單元的尺寸決定。通過將文獻(xiàn)[1] 提出的五邊形寬縫隙改為七邊形寬縫隙,有效地提高了寬縫隙的周長,降低了天線10 dB下限頻率,相當(dāng)于減少了天線的尺寸。在實(shí)現(xiàn)良好阻抗匹配特性并兼顧提高天線增益的前提下,對天線結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化,樣本天線的尺寸參數(shù)如下(單位:mm):L =30, W =28,WS=24,W1=7, W2=7, WA=1,WP=2,WD=2, WG=0.35,WM=3.6,WF1=12,WF2=1.5,WF3=2.7,L1=3.6,L2=4.2,LF1=6,LF 2=2.5,LF3=1.5,LG=1。

2.2 天線的電氣性能及分析

采用HP8510C 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線樣本的阻抗特性進(jìn)行了測試。圖2 是UWB 天線回波損耗(Return Loss,RL)以及在最大輻射方向上的增益特性曲線。由圖可見,在2.7 ～12.8 GHz頻率范圍內(nèi),樣本天線的回波損耗RL ≤-10 dB,這一頻率范圍覆蓋了3.1 ～10.6 GHz的UWB 頻率帶寬。在整個(gè)帶寬內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)諧振點(diǎn),經(jīng)仿真研究發(fā)現(xiàn),其中的高頻諧振點(diǎn)由叉型輻射單元產(chǎn)生,而低頻諧振點(diǎn)則是由叉型結(jié)構(gòu)與多邊形縫隙相互耦合產(chǎn)生的。此外,在整個(gè)UWB 帶寬內(nèi),天線的增益隨頻率變化不大,基本維持在3 ～4 dBi范圍。

圖2 UWB 天線回波損耗及增益曲線Fig.2 Return loss and boresight gain of the proposed UWB antenna

圖3 給出了天線在3.5 GHz、5.5 GHz、7.0 GHz和9.0 GHz 4 個(gè)典型頻率上的方向圖。由圖可見,在H 平面(xoz 平面)內(nèi),天線在低頻部分近似為全向輻射,但隨著頻率的增加,天線方向性增強(qiáng),并逐漸趨向于在上下兩半空間輻射。這主要是因?yàn)樵诘皖l部分,叉型輻射單元的尺寸遠(yuǎn)比波長小,其輻射機(jī)理類似于一個(gè)貼片輻射元,在H 面的輻射是均勻的,而隨著頻率的增加,叉形輻射元的尺寸與波長相差不大,叉形輻射元中兩個(gè)y 方向的枝節(jié)構(gòu)成的陣因子,削弱了叉形輻射元在x 方向的輻射,造成了天線在z 方向輻射不變而x 方向相對減弱的現(xiàn)象。此外,天線在E 平面(yoz)的方向圖近似為啞鈴形,與平面單極子天線的輻射方向圖類似。

圖3 UWB 天線仿真方向圖Fig.3 Simulated radiation patterns of the proposed UWB antenna

2.3 參數(shù)分析

為揭示天線結(jié)構(gòu)對其電氣性能的影響,通過仿真研究,確定了影響天線電氣性能的敏感尺寸,其中包括縫隙寬度WS、叉形輻射元橫向枝接和縱向枝節(jié)長總度WF1和LF1、橫向枝節(jié)與地板的距離LG。天線的其他參數(shù)對阻抗特性影響不大,但可通過對其余參數(shù)的修正來優(yōu)化天線的阻抗特性。為簡化分析,在研究某一參數(shù)對阻抗特性的影響時(shí),其他的參數(shù)保持不變。

圖4(a)是不同縫隙寬度WS的RL 頻率特性曲線,顯然, WS 主要影響RL 的第一諧振頻率, WS 越寬,第一諧振頻率越低,相應(yīng)地,天線最低的工作頻率就越低,等效于縮小了天線的面積。但當(dāng)天線總的寬度W 固定時(shí),太大的WS會(huì)引起天線阻抗特性的惡化。為平衡天線小型化與阻抗特性惡化的矛盾,設(shè)計(jì)中取W=28 mm、WS=24 mm。圖4(b)和(c)分別是不同WF1和LF1的RL 特性曲線。顯然WF1和LF1主要影響RL 的高頻部分,而對低頻部分影響很小,這說明天線在UWB 頻段內(nèi)的高頻率部分,輻射主要是由叉型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。圖4(d)是不同LG天線的RL 曲線,由圖可見,在一定范圍內(nèi),叉形結(jié)構(gòu)與地板距離LG對天線阻抗影響不大,這種地板對天線性能影響不大的特性,在天線的加工和生產(chǎn)中意義重大。

圖4 WS、WF1、LF1和LG變化時(shí)天線回波損耗特性曲線Fig.4 Simulated return losses of p roposed antenna with different WS, WF1, LF1 and LG

3 組合陷波結(jié)構(gòu)UWB 天線設(shè)計(jì)

在成功設(shè)計(jì)、制作上述平面UWB 天線的基礎(chǔ)上,通過在叉型結(jié)構(gòu)中間增加一段開路枝接并在天線地板的中部增加一對細(xì)裂縫的辦法,構(gòu)成組合陷波結(jié)構(gòu)的UWB 天線,其結(jié)構(gòu)示意圖如5(a)所示。仿真研究發(fā)現(xiàn),開路枝節(jié)和細(xì)裂縫均可以諧振在不同的頻點(diǎn)而產(chǎn)生不同的阻帶,但通過合適選擇開路枝節(jié)和細(xì)裂縫的尺寸參數(shù),可以使他們諧振在同一頻點(diǎn)而獲得更尖銳、更陡峭的阻帶特性。

針對阻帶中心頻率f=5.5 GHz,對該組合陷波結(jié)構(gòu)的UWB 天線進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后陷波結(jié)構(gòu)的尺寸為:DS=1 mm, LS1=7 mm,LS2=6.5 mm, S =0.5 mm,WFS =0.4 mm,LFS =7.6 mm,天線其余尺寸維持不變。圖5(b)是加工天線的實(shí)物圖,圖6 是該天線的回波損耗及增益特性曲線。顯然,在2.6 ～5.1 GHz頻率和5.9 ～11.6 范圍內(nèi),實(shí)測樣本天線的回波損耗RL ≤-10 dB,而5.1 ～5.9 GHz則構(gòu)成了天線的阻帶。實(shí)測的阻帶中心頻率為5.65 GHz,較仿真值偏離了0.15 GHz,此時(shí)RL =-1.5 dB。此外,在阻帶頻率范圍內(nèi),天線增益明顯下降,在實(shí)測阻帶中心頻率f=5.65 GHz處,天線的增益為-4 dBi,比不帶陷波結(jié)構(gòu)天線的增益下降了近10 dB。

圖5 組合陷波結(jié)構(gòu)UWB 天線Fig.5 Configuration of the band-notched antenna design

圖6 組合陷波結(jié)構(gòu)UWB 天線回波損耗及增益Fig.6 Return loss and boresight gain of the proposed assembled band-notched UWB antenna

圖7(a)～(d)分別是組合陷波結(jié)構(gòu)UWB 天線在3.5 GHz、5.5、7.0 GHz和9.0 GHz 4 個(gè)典型頻率上的方向圖。對比不帶陷波結(jié)構(gòu)的天線,阻帶外帶陷波結(jié)構(gòu)方向圖形態(tài)變化不大,在H 面和E 面分別是近似的全向輻射和啞鈴形雙向輻射,但在阻帶中心頻率f=5.5 處,天線方向圖形態(tài)發(fā)生畸變。

圖7 組合陷波結(jié)構(gòu)UWB 天線方向圖Fig.7 Simulated radiation pattern of the proposed assembled band-notched UWB antenna

圖8(a)～(d)分別是組合陷波結(jié)構(gòu)UWB 天線在上述4 個(gè)頻率點(diǎn)上的面電流大小仿真圖。由圖可見,在f=3.5 GHz處,天線面電流主要分布在共面波導(dǎo)沿線、叉形結(jié)構(gòu)下部和寬縫隙的下邊緣;在f 為7.0 和9.0 GHz處,面電流主要分布在整個(gè)叉形輻射元上。顯然,在阻帶頻率外,兩個(gè)陷波結(jié)構(gòu)即開路枝節(jié)和細(xì)裂縫附近的面電流都不大,表明陷波結(jié)構(gòu)的引入對天線電流分布、阻抗特性和輻射特性都沒有顯著的影響。而在阻帶中心頻率f=5.5 GHz處,陷波結(jié)構(gòu)附近激發(fā)起很強(qiáng)的電流分布,顯然,正是這個(gè)結(jié)果引起了天線輸入阻抗的突變,形成陷波效應(yīng)。

圖8 組合陷波結(jié)構(gòu)UWB 天線面電流分布Fig.8 Simulated electric current distribution of the band-notched antenna

為進(jìn)一步研究組合陷波結(jié)構(gòu)的陷波效果,對不同陷波結(jié)構(gòu)的天線作了對比研究。圖9 為只有開路枝節(jié)、只有細(xì)裂縫和同時(shí)具有開路枝接和細(xì)裂縫(組合陷波)3 種不同陷波結(jié)構(gòu)UWB 天線回波損耗的頻率特性測試曲線。由圖可見,組合陷波結(jié)構(gòu)在阻帶中心頻率處, RL =-1.5 dB,而對于只有開路枝接和只有細(xì)裂縫陷波結(jié)構(gòu)的UWB 天線,阻帶中心頻率處的RL 分別為-4.5 dB和-6 dB。顯然,組合陷波結(jié)構(gòu)的引入有效地提高了UWB 天線在5 ～6 GHz阻帶范圍內(nèi)的陡峭度。

圖9 不同陷波結(jié)構(gòu)UWB 天線的回波損耗Fig.9 Result of return losses for different band-notched structures

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種共面波導(dǎo)饋電的平面超寬帶天線,在結(jié)構(gòu)上采用了叉形結(jié)構(gòu)的輻射單元和帶寬縫隙的地板,對影響天線電氣性能的主要尺寸參數(shù)進(jìn)行了研究和分析,給出了天線回波損耗與敏感尺寸參數(shù)的關(guān)系曲線。與相關(guān)文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)比較,本文所設(shè)計(jì)的天線體積更小,在3.1 ～10.6 GHz頻率范圍具有更好的阻抗特性和穩(wěn)定的輻射特性。在此基礎(chǔ)上,通過在叉形輻射單元和地板分別增加一段開路微帶枝節(jié)和一對倒L 形細(xì)裂縫的辦法,使得天線在5.1 ～5.9 GHz頻率范圍內(nèi)形成良好的陷波效應(yīng)。研究表明:與常規(guī)的單陷波結(jié)構(gòu)UWB 平面天線相比較,組合陷波結(jié)構(gòu)能更有效地提高天線阻帶中心頻率處回波損耗的最大值,使得天線具有更為陡峭的陷波特性,從而使UWB 通信系統(tǒng)能更能有效地抑制無線局域網(wǎng)設(shè)備帶來的干擾。

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