基于開窗結(jié)構(gòu)和寄生單元的雙陷波超寬帶天線

韓　濤，王紅成

(東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東 東莞 523808)

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基于開窗結(jié)構(gòu)和寄生單元的雙陷波超寬帶天線

韓濤，王紅成

(東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東 東莞 523808)

設(shè)計(jì)了一種具有雙陷波特性的平面超寬帶天線。超寬帶基礎(chǔ)天線的饋電采用漸變式階梯阻抗匹配結(jié)構(gòu)作，使得天線具有了寬阻抗匹配能力。通過(guò)在橢形輻射器內(nèi)進(jìn)行開窗，以及在地面添加矩形寄生單元，實(shí)現(xiàn)了天線的雙陷波特性。測(cè)試結(jié)果表明，該天線的工作帶寬(VSWR<2)為3.1～10 GHz，工作在超寬帶(UWB)頻率范圍，兩個(gè)陷波分別在3.3～4.0 GHz和5.0～5.85 GHz，可以應(yīng)用于WiMAX和WLAN頻段的信號(hào)抑制。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)了良好的陷波功能，能夠較好地應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)中。

超寬帶；雙陷波；寄生結(jié)構(gòu)；開窗結(jié)構(gòu)

2002年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)將3.1～10.6 GHz 頻段規(guī)劃為超寬帶(UWB)的商用頻段后，超寬帶通信技術(shù)引起了越來(lái)越多的關(guān)注[1]。超寬帶作為一種新型短距離、高速率無(wú)線通信技術(shù)，被應(yīng)用于無(wú)線音視頻傳輸系統(tǒng)中。與此同時(shí)，由于超寬帶系統(tǒng)的頻段非常寬，在工作時(shí)，很易受到如WiMAX頻段(3.3～3.7 GHz)、WLAN 頻段(5.15～5.825 GHz)等窄帶通信系統(tǒng)的通信干擾[2]。為了解決通信干擾的問(wèn)題，可以通過(guò)在超寬帶系統(tǒng)前端引入各種濾波器，進(jìn)行頻帶選擇，減少窄帶系統(tǒng)和超寬帶系統(tǒng)的干擾，但這樣不僅會(huì)增加系統(tǒng)的體積而且阻抗匹配會(huì)更加困難[3]。因此，直接在UWB(Ultra-Wideband)天線的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出具有陷波特性的天線結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

利用不同的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶天線的陷波功能，文獻(xiàn)[4～5]通過(guò)在天線結(jié)構(gòu)中引入寄生單元，文獻(xiàn)[6～7]采用分形結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[8～9]加入調(diào)諧枝節(jié)，文獻(xiàn)[10～11]利用開槽的方法。本文通過(guò)在橢形輻射器內(nèi)進(jìn)行開窗，以及在地面添加矩形寄生單元，提出了一種具有雙陷波特性的UWB天線結(jié)構(gòu)，并對(duì)該天線進(jìn)行了仿真和測(cè)試。該天線的饋電采用漸變式階梯阻抗匹配結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)寬頻段內(nèi)的阻抗匹配，然后對(duì)天線的橢形單元開縫和在地板上添加寄生單元，實(shí)現(xiàn)雙陷波特性。天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工，尺寸大小為50 mm×52 mm，而且在3.3～4.0 GHz和5～5.85 GHz上呈現(xiàn)高陷波特性，VSWR曲線變化陡峭，具有高選擇性抑制能力。

1　UWB天線設(shè)計(jì)

超寬帶天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線印刷在厚度h為0.8 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr為2.65，損耗正切tanδ為0.001 5的聚四氟乙烯介質(zhì)基片上。天線正面的主要輻射單元為橢圓形貼片，使用漸變式的微帶線進(jìn)行饋電。天線背面為地板結(jié)構(gòu)和兩個(gè)耦合寄生單元。介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)可表示為

(1)

(2)

其中，c是光速，fr是諧振頻率。為避免產(chǎn)生高次模引起場(chǎng)的畸變，天線寬度W0要小于式(2)中計(jì)算的數(shù)值。天線的長(zhǎng)度L0可以表示為

(3)

利用式(1)～式(3)，初步確定超寬帶天線的表面輻射單元尺寸。

圖1　超寬帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

基礎(chǔ)UWB天線在饋電端采用了漸變饋電結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。這在一定程度上相當(dāng)于寬頻阻抗轉(zhuǎn)換器，可以使得該橢形天線阻抗在很寬的頻段內(nèi)和50 Ω的SMA頭匹配。為實(shí)現(xiàn)該天線在5.5 GHz附近的陷波特性，實(shí)現(xiàn)天線對(duì)5.15 ～ 5.825 GHz頻段內(nèi)的信號(hào)抑制，在圖1中(a)天線背面附加了的兩個(gè)矩形的寄生單元，如圖1(b)所示，為雙陷波超寬帶天線的背面，由地板和寄生單元兩部分構(gòu)成。為實(shí)現(xiàn)該天線在低頻3.5 GHz附近的陷波特性，在圖1(a)的橢形輻射單元的內(nèi)部開一個(gè)中心對(duì)稱的窗口縫結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示，為雙陷波超寬帶天線的正面，由于陷波中心頻率3.5 GHz相對(duì)較小，使得開縫長(zhǎng)度較大，因此本文采用了窗口開法。經(jīng)過(guò)天線模型優(yōu)化設(shè)計(jì),最終確定天線參數(shù)如下:W=50 mm,W0=11.5 mm，W1=2.2 mm,W2=0.8 mm,W3=14 mm,W4=2 mm，W5=1 mm，W6=22 mm,L=52 mm,L0=13 mm,L1=17.15 mm，L2=12 mm,L3=16 mm,L4=22 mm，L5=18 mm。

2　UWB天線陷波特性分析

為抑制窄帶通信系統(tǒng)WLAN和WiMAX對(duì)UWB信號(hào)的干擾，文中設(shè)計(jì)的天線通過(guò)在橢形輻射器內(nèi)進(jìn)行開窗，以及在地面添加矩形寄生單元，來(lái)實(shí)現(xiàn)UWB天線的雙陷波特性。天線的仿真阻抗圖如圖2所示，由天線的輸入阻抗實(shí)部圖可以看出，在3.5 GHz和5.5 GHz附近的陷波阻抗實(shí)部較大，與50 阻抗完全不匹配，而且在在3.5 GHz和5.5 GHz附近的陷波阻抗虛部正負(fù)變化非常劇烈，因此天線在開縫和添加寄生單元的情況下，可以有效地產(chǎn)生兩個(gè)明顯的陷波特性。

超寬帶陷波天線在中心頻率3.5 GHz下的電流分布如圖3(a)所示，由圖中可以看到電流主要集中在正面輻射貼片所開的窗口縫隙周圍，說(shuō)明開縫窗口的尺寸對(duì)3.5 GHz影響較大，窗口縫隙的長(zhǎng)度L2和寬帶W4尺寸對(duì)天線中心頻率位置和VSWR性能的影響如圖4(a)和圖4(b)所示，可以看到縫隙的尺寸變化，主要對(duì)3.5 GHz有影響，對(duì)5.5 GHz的陷波基本沒有影響。超寬帶陷波天線在中心頻率5.5 GHz下的電流分布如圖3(b)所示，由圖可以看出在阻帶頻率5.5 GHz處，電流主要集中分布在地面兩個(gè)矩形寄生單元上，寄生單元的尺寸影響著5.5 GHz處陷波的位置和VSWR，寄生單元的寬度W5和位置W6尺寸對(duì)天線VSWR性能的影響如圖4(c)和圖4(d)所示，可以看到寄生單元的尺寸變化，主要對(duì)5.5 GHz有影響，對(duì)3.5 GHz的陷波基本沒有影響。

圖2　天線仿真阻抗實(shí)部和虛部

圖3　阻帶頻率處的電流圖

圖4　不同參數(shù)下駐波比

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)天線各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇之后，制作了天線實(shí)物如圖5所示。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的駐波比進(jìn)行測(cè)量，如圖6所示。天線的陷波范圍處于3.3～4.0 GHz和5～5.85 GHz，與仿真結(jié)果相比，在兩個(gè)的陷波頻段稍微偏移，但總體滿足雙陷波特性的設(shè)計(jì)需求，這些偏差是在加工天線實(shí)物和焊接端口時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。

天線在3 GHz、6.5 GHz 和8.5 GHz 頻率點(diǎn)處的仿真遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖如圖7所示，天線在E面低頻段內(nèi)具有類似單極子天線的“∞”方向圖,但隨著頻率的不斷升高，天線的輻射方向圖會(huì)產(chǎn)生一定的變化，但總體大概形狀還是保持在“∞”。天線在H面的輻射方向圖近似全向，隨著天線工作頻率的升高，天線的全向輻射特性變差。

圖5　實(shí)際制作的陷波UWB天線

在頻帶3～10 GHz范圍內(nèi)，雙阻帶特性超寬帶天線的增益，如圖8所示。天線的增益曲線由于在3.5 GHz和5.5 GHz附近有著陷波特性，導(dǎo)致這兩個(gè)頻點(diǎn)處的增益明顯降低，阻帶外的增益都比較穩(wěn)定，說(shuō)明該天線具有良好的陷波特性。

圖6　雙陷波UWB天線的VSWR曲線對(duì)比圖

圖7　不同頻率下雙陷波天線輻射方向圖

圖8　雙陷波UWB天線的增益

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研究了一種具有雙陷波特性的超寬帶天線。通過(guò)使用在輻射器內(nèi)部添加寄生結(jié)構(gòu)和地面開槽的方法分別實(shí)現(xiàn)了3.3～4.0 GHz和5.0～5.85 GHz(WLAN)兩個(gè)阻帶，可以抑制WiMAX和WLAN頻段對(duì)超寬帶頻段通信的影響，實(shí)際制作了天線并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)量。仿真與測(cè)試結(jié)果表明該天線能夠有效抑制超寬帶通信系統(tǒng)與這兩個(gè)窄帶通信系統(tǒng)間的干擾，具有良好的陷波特性。

[1]Federal Communications Commission.First report and order in the matter of revision of part 1-5 of the commission rules regarding ultra-wideband transmission systems[R].USA: FCC, 2002.

[2]張凡,潘錦.新型陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)[J].電子科技,2015,28(8):8-10.

[3]李曉東.一種雙陷波超寬帶單極子天線的設(shè)計(jì)[J].電子科技,2014,27(3):77-79．

[4]Antonino-Daviu Eva, Cabedo-Fabres M, Ferrando-Bataller M, et al. Modal analysis and design of band-notched UWB planar monopole antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2010,58(5):1457-1467.

[5]Li T, Zhai H, Li G, et al.Compact UWB band-notched antenna design using interdigital capacitance loading loop resonator[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012(11):724-727.

[6]Su S, Wong K, Chang F. Compact printed ultra-wideband slot antenna with a band-notched operation[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2005,45(2):128-130.

[7]Hu S, Wang G, Zheng L, et al. Design of a novel triangular wideband microstrip slot antenna with band-notched characteristic[C]Harbin: Global Symposium on Millimeter Waves, Harbin, 2012.

[8]Li B, Hong J S,Wang B Z. Switched band-notched UWB/dual-band WLAN slot antenna with inverted S-shaped slots[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012(11):572-575.

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[11] Mehranpour M, Nourinia J, Ghobadi C, et al.Dual band-notched square monopole antenna for ultrawideband applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012(11):172-175.

Dual Band-notched Ultra-wideband Antenna Based on Slots and Parasitic Elements

HAN Tao, WANG Hongcheng

(School of Electrical Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China)

A planar monopole UWB antenna with dual band notched characteristic is proposed. The UWB base antenna has a wide impedance matching characteristic with the gradually stepped impedance feeder. By opening slots on the antenna and embedding a pair of rectangular shaped parasitic elements on the ground, the dual band-notched characteristic can be obtained respectively. The measured results show that the proposed antenna achieved a wide bandwidth of 3～11 GHz with VSWR<2, stop bands of 3.3～4.0 GHz for WiMAX and 5.0～5.85 GHz for WLAN. Both the simulated and measured results show that the proposed antenna has the advantages of simple structure and good band-notched function on the stop band, thus a good candidate for various UWB applications.

ultra-wideband; dual notched bands; slots; parasitic elements

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.007

2015-12-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61308019)

韓濤(1981-)，男，博士，講師。研究方向：超寬帶通信系統(tǒng)，移動(dòng)通信。王紅成(1981-)，男，博士，副教授。研究方向：光通信。

TN822+.8

A

1007-7820(2016)08-021-04