新型雙阻帶超寬帶單極天線(xiàn)

吳緒鎮(zhèn)，薛鋒章

(華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東廣州510641)

0 引言

自從2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(federal communications commission，F(xiàn)CC)批準(zhǔn)將3.1～10.6 GHz頻帶作為超寬帶(ultra wideband，UWB)民用頻段以來(lái)［1］，UWB技術(shù)因其低成本、高速率、低功耗等優(yōu)勢(shì)得到飛速發(fā)展。作為UWB系統(tǒng)的重要組成部分，超寬帶天線(xiàn)的研究與設(shè)計(jì)深受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者重視。此外，由于在UWB頻段與其他通信系統(tǒng)(WLAN(5.15～5.825 GHz)，WIMAX(3.3～3.7 GHz)以及C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)(3.7～4.2 GHz))的工作頻段有重疊，如何實(shí)現(xiàn)UWB系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容，成為超寬帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

目前，大多數(shù)超寬帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)都只是針對(duì)WLAN5.5頻帶進(jìn)行阻帶抑制，實(shí)現(xiàn)的方法不盡相同［2－6］。如文獻(xiàn)［2－3］是采用在圓形輻射片上開(kāi)條形槽或U型槽的方法;文獻(xiàn)［4－5］是在方形環(huán)狀輻射片中間加豎長(zhǎng)微帶;文獻(xiàn)［6］則是通過(guò)在主輻射片上端加寄生輻射片作為濾波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)5.1～5.9 GHz的阻帶抑制。這些天線(xiàn)具有WLAN5.5頻段單阻帶特性，但是未能實(shí)現(xiàn)對(duì)WIMAX3.5及C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作頻帶的兼容。也有一些文獻(xiàn)介紹了具有雙阻帶特性的超寬帶天線(xiàn)［7－9］，但尺寸較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

本文提出的新型超寬帶天線(xiàn)，采用漸變微帶線(xiàn)饋電，輻射片為扇形平面單極子。天線(xiàn)首先是實(shí)現(xiàn)了3.1～14.4 GHz超寬頻帶內(nèi)電壓駐波比(voltages standing wave ratio，VSWR)小于 2，再通過(guò)在輻射片上適當(dāng)位置開(kāi)弧形槽及雙豎槽，使得在5.1～6 GHz，3.3～4.2 GHz 頻帶內(nèi)的 VSWR2，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)WLAN5.5，WIMAX3.5及C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻帶抑制功能，避免了各通信系統(tǒng)的互擾。并且總尺寸僅為30 mm×30 mm，符合天線(xiàn)小型化的趨勢(shì)，是一種實(shí)用新型的超寬帶天線(xiàn)。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)

天線(xiàn)選用厚度為1 mm的聚四氟乙烯(FR4)作為介質(zhì)基板，輻射片與接地面均為0.035 mm厚的覆銅層，分別印制在介質(zhì)板的兩面。FR4相對(duì)介電常數(shù)εr為4.4，損耗正切tanδ為0.2。

首先是常規(guī)UWB天線(xiàn)的設(shè)計(jì)。輻射片為扇形平面單極子，因?yàn)樯刃谓Y(jié)構(gòu)具有尺寸漸變性，能夠激發(fā)表面電流的多種諧振模式，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)寬頻帶工作特性。微帶線(xiàn)和地面采用漸變結(jié)構(gòu)，也是為了改善阻抗匹配，進(jìn)一步擴(kuò)展帶寬?；诖?，初步設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足UWB頻帶內(nèi)VSWR2的天線(xiàn)A，如圖1a示。

在天線(xiàn)A的基礎(chǔ)上，采用在輻射片上開(kāi)槽的方法實(shí)現(xiàn)具有帶阻特性的UWB天線(xiàn)。開(kāi)槽等效于在天線(xiàn)上加載縫隙諧振器，當(dāng)開(kāi)槽總長(zhǎng)為特定頻率處1/2個(gè)介質(zhì)波長(zhǎng)時(shí)，在開(kāi)槽處會(huì)發(fā)生諧振，對(duì)天線(xiàn)輻射片表面電流產(chǎn)生阻斷作用，從而實(shí)現(xiàn)帶阻特性［10］。確定開(kāi)槽長(zhǎng)度的近似公式為

(1)式中:c為光速;f為阻帶中心頻率;εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);L為對(duì)應(yīng)的開(kāi)槽總長(zhǎng)度。第1步，在輻射片上開(kāi)弧形槽實(shí)現(xiàn)WLAN5.5頻段帶阻功能。按照公式(1)給出的開(kāi)槽尺寸，弧形槽長(zhǎng)度L1約為16 mm。得到天線(xiàn)B，如圖1b示;第2步，在天線(xiàn)B上加對(duì)稱(chēng)雙豎槽實(shí)現(xiàn)WIMAX3.5及C波段帶阻功能，為達(dá)到25 mm的開(kāi)槽總長(zhǎng)，豎槽長(zhǎng)度L2約為12.5 mm。得到天線(xiàn)C，如圖1c示，天線(xiàn)C即為具有雙阻帶特性的UWB天線(xiàn)?；⌒尾叟c豎槽寬度均為0.5 mm。

圖1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)流程Fig.1 Steps of proposed antenna design

按照上述基本尺寸，采用基于有限元的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件ANSOFT HFSS 11，優(yōu)化開(kāi)槽尺寸及開(kāi)槽位置、微調(diào)輻射片和接地面形狀，得到最優(yōu)化的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的新型雙阻帶超寬帶天線(xiàn)具體尺寸標(biāo)注于圖2中。

圖2 雙阻帶UWB天線(xiàn)Fig.2 Dual band－notched UWB antenna

2 實(shí)驗(yàn)研究及天線(xiàn)性能分析

2.1 超寬帶天線(xiàn)阻抗特性研究

使用仿真軟件對(duì)天線(xiàn)做實(shí)驗(yàn)研究，分析以下阻抗特性曲線(xiàn)可驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。圖3－5分別給出了常規(guī)UWB天線(xiàn)A、單阻帶UWB天線(xiàn)及雙阻帶UWB天線(xiàn)的SVWR仿真結(jié)果。

從圖4可見(jiàn)，在輻射片適當(dāng)位置開(kāi)弧形槽后，天線(xiàn)B在5.1～6 GHz頻帶內(nèi)VSWR2，其余工作頻段VSWR2，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)WLAN5.5頻帶抑制功能。

從圖5可見(jiàn)，在天線(xiàn)B基礎(chǔ)上，加雙豎槽后，天線(xiàn)C在3.3～4.2 GHz及5.1～6 GHz頻帶內(nèi)VSWR2，其余工作頻段VSWR2，由其雙阻帶特性實(shí)現(xiàn)UWB天線(xiàn)對(duì)WLAN5.5，WIMAX3.5及C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的兼容。

圖5 雙阻帶UWB天線(xiàn)的VSWR仿真結(jié)果Fig.5 VSWR of dual band－notched antenna

2.2 天線(xiàn)表面電流分析

通過(guò)分析天線(xiàn)表面電流，說(shuō)明開(kāi)槽對(duì)實(shí)現(xiàn)頻帶抑制的有效性。圖6給出了5.5 GHz和3.7 GHz頻率處的天線(xiàn)表面電流分布。

圖6 天線(xiàn)表面電流分析Fig.6 Analysis of surface current

從圖6對(duì)比分析5.5 GHz和3.7 GHz頻率處的天線(xiàn)表面電流，可見(jiàn)在未開(kāi)槽之前，表面電流分布在整個(gè)輻射片上，天線(xiàn)正常對(duì)外輻射。根據(jù)(1)式可知，加弧形槽之后，相當(dāng)于在5.5 GHz處引入了半波長(zhǎng)縫隙諧振器，使天線(xiàn)表面電流集中在弧形槽附近形成回流，此時(shí)輻射片整體等效于開(kāi)路，天線(xiàn)不能產(chǎn)生輻射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)WLAN5.5的頻帶抑制;同理，對(duì)稱(chēng)雙豎槽在3.7 GHz頻率附近對(duì)天線(xiàn)表面電流產(chǎn)生阻斷作用，使該天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)WIMAX3.5及C波段衛(wèi)星通信頻帶抑制特性。

2.3 天線(xiàn)輻射特性

圖7給出了雙阻帶超寬帶天線(xiàn)C在3.1，3.7，5.5，9 GHz幾個(gè)頻點(diǎn)處的E面方向圖和H面方向圖。

圖7 雙阻帶天線(xiàn)在3.1，3.7，5.5，9 GHz頻率處的輻射方向圖Fig.7 Radiation patterns of proposed antennaat 3.1，3.7，5.5，9 GHz

從圖7可見(jiàn)，該天線(xiàn)符合平面單極子天線(xiàn)輻射特性。E面近似呈8字形，類(lèi)似于偶極子天線(xiàn)的E面方向圖。3.1 GHz和9 GHz頻率天線(xiàn)H面方向圖近似為圓形，說(shuō)明該天線(xiàn)在通帶內(nèi)呈現(xiàn)良好的全向輻射性，可實(shí)現(xiàn)UWB天線(xiàn)全向收發(fā)電波信號(hào)的功能;3.7 GHz和5.5 GHz頻率天線(xiàn)H面方向圖發(fā)生畸變，說(shuō)明在阻帶內(nèi)全向輻射特性遭到破壞，從而限制了UWB天線(xiàn)對(duì)多系統(tǒng)重疊頻帶內(nèi)信號(hào)的收發(fā)，避免系統(tǒng)間的互擾。

3 總結(jié)

本文提出了一種微帶饋電的雙阻帶UWB天線(xiàn)，在滿(mǎn)足超寬帶系統(tǒng)帶寬要求的前提下，通過(guò)在天線(xiàn)輻射片上開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)了針對(duì)WLAN5.5，WIMAX3.5及C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻帶抑制。通過(guò)大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了天線(xiàn)開(kāi)弧形槽和對(duì)稱(chēng)豎槽對(duì)實(shí)現(xiàn)雙阻帶功能的有效性。文中闡述了該天線(xiàn)的設(shè)計(jì)思路，為具有帶阻特性的超寬帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)提供借鑒，并且從表面電流和輻射特性解釋和驗(yàn)證了該天線(xiàn)的帶阻特性。該天線(xiàn)具有小型化結(jié)構(gòu)，易于與電路集成，可作為超寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的收發(fā)天線(xiàn)，具有良好的工程應(yīng)用前景。

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