陷波帶寬可控的圓環(huán)單極子UWB天線(xiàn)

蔡培君， 廖同慶, 趙方雷(.安徽大學(xué) 江準(zhǔn)學(xué)院，安徽 合肥 30039； .安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 3060)

陷波帶寬可控的圓環(huán)單極子UWB天線(xiàn)

蔡培君1， 廖同慶2, 趙方雷2
(1.安徽大學(xué) 江準(zhǔn)學(xué)院，安徽 合肥 230039； 2.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

針對(duì)現(xiàn)有超寬帶(ultra-wideband,UWB)天線(xiàn)陷波帶寬難以控制的問(wèn)題,文章設(shè)計(jì)了一款陷波帶寬可控的圓環(huán)單極子UWB天線(xiàn)。采用圓環(huán)單極子天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)UWB特性,使其帶寬覆蓋3.1～10.6 GHz;采用添加非對(duì)稱(chēng)半波長(zhǎng)二階阻抗諧振器實(shí)現(xiàn)陷波特性,陷波帶寬可以通過(guò)調(diào)整非對(duì)稱(chēng)半波長(zhǎng)二階阻抗諧振器的寬度、位置和間距來(lái)控制;設(shè)計(jì)并加工了一款在5.1～6.0 GHz頻段內(nèi)具有帶阻特性的UWB天線(xiàn),該天線(xiàn)能有效地抑制無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)對(duì)UWB系統(tǒng)的影響。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致,驗(yàn)證了仿真的正確性。

超寬帶(UWB);圓環(huán)單極子;非對(duì)稱(chēng)半波長(zhǎng)二階阻抗諧振器;陷波帶寬可控

0 引 言

由于具有傳輸速率高、抗多徑衰落能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本和復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn),超寬帶(ultra-wideband,UWB)通信系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在軍事通信、車(chē)載雷達(dá)、數(shù)字通信等領(lǐng)域。2002年,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)將UWB應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域[1],工作在3.1～10.6 GHz的UWB通信系統(tǒng)得到了大力發(fā)展。而UWB天線(xiàn)作為無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的重要組成部分,尤其是圓環(huán)單極子UWB天線(xiàn)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制作、輻射特性良好等特點(diǎn),已成為近幾年研究的熱點(diǎn)。

目前,為了有效抑制UWB天線(xiàn)在其工作頻帶內(nèi)與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(IEEE 802.11a WLAN,5.15～5.825 GHz)[2]之間的相互干擾,在UWB系統(tǒng)內(nèi)加入帶阻濾波器濾除窄頻帶,但是這不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度,而且增加了設(shè)計(jì)的成本。解決該問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單而有效的方法就是在天線(xiàn)上引入陷波結(jié)構(gòu),使天線(xiàn)具有陷波功能。研究人員通過(guò)在天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中引入寄生單元[3-4]、開(kāi)槽[5-7]、加入調(diào)諧枝節(jié)[8]等陷波結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了UWB天線(xiàn)的陷波特性。但是,以上方法僅能通過(guò)調(diào)整陷波結(jié)構(gòu)的大小來(lái)控制陷波中心頻率,不能有效地控制陷波頻帶的寬度,降低了天線(xiàn)的實(shí)用性。因此,陷波帶寬可控是UWB天線(xiàn)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的圓環(huán)單極子天線(xiàn),并通過(guò)在微帶饋電線(xiàn)附近添加非對(duì)稱(chēng)半波長(zhǎng)二階阻抗諧振器實(shí)現(xiàn)陷波功能,選擇合適的諧振器長(zhǎng)度調(diào)節(jié)陷波的中心頻率,改變非對(duì)稱(chēng)二階阻抗諧振器的寬度、位置和間距,有效地控制陷波的帶寬。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

由文獻(xiàn)[9]可知,圓形單極子UWB天線(xiàn)的半徑為10.02 mm。使用Ansoft HFSS 13.0軟件設(shè)計(jì)了一款圓形單極子UWB天線(xiàn),天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1a所示。

圖1 圓形天線(xiàn)結(jié)構(gòu)及電壓駐波比

天線(xiàn)使用特性阻抗50 Ω的微帶線(xiàn)饋電。天線(xiàn)印刷在厚度h=1.60 mm的聚四氟乙烯介質(zhì)板上,其相對(duì)介電常數(shù)為4.4,地板尺寸為35.0 mm×10.5 mm。電壓駐波比仿真結(jié)果如圖1b所示,在3.0～11.0 GHz頻段內(nèi)電壓駐波比小于等于3。

為了減小天線(xiàn)的尺寸,同時(shí)使天線(xiàn)在低頻段獲得良好的匹配,將圓形輻射貼片改為圓環(huán)形輻射貼片,天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2a所示。其中,外環(huán)半徑為8.80 mm,內(nèi)環(huán)半徑為5.20 mm,地板尺寸為30.00 mm×10.50 mm,天線(xiàn)尺寸比原始模型減小了約27%。電壓駐波比仿真結(jié)果如圖2b所示,在3.0～11.0 GHz頻段內(nèi)電壓駐波比小于等于2,滿(mǎn)足UWB通信系統(tǒng)的要求。

圖2 圓環(huán)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)及電壓駐波比

在圓環(huán)單極子UWB天線(xiàn)的基礎(chǔ)上,采用半波長(zhǎng)阻抗諧振器的方法實(shí)現(xiàn)帶阻特性,即在微帶饋線(xiàn)附近添加非對(duì)稱(chēng)半波長(zhǎng)二階阻抗諧振器。

傳統(tǒng)半波長(zhǎng)阻抗諧振器[10]陷波結(jié)構(gòu)如圖3a所示,其中W1=W2,兩陷波結(jié)構(gòu)之間相距1/4陷波中心頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。這樣的結(jié)構(gòu)不僅具有較大的尺寸,造成天線(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸偏大,而且由于結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性會(huì)對(duì)天線(xiàn)的輻射方向圖造成不良的影響。而且該結(jié)構(gòu)只是在某一頻率點(diǎn)形成陷波特性,不能有效控制陷波帶寬。為改變以上不良影響,本文使用非對(duì)稱(chēng)半波長(zhǎng)二階阻抗諧振器,如圖3b所示。

圖3 傳統(tǒng)阻抗諧振器與非對(duì)稱(chēng)阻抗諧振器

非對(duì)稱(chēng)阻抗諧振器中陷波結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和寬度滿(mǎn)足:

=2L1+L2

(1)

其中,λg為介質(zhì)中阻抗中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),計(jì)算公式為:

(2)

利用(1)式和(2)式可以在陷波UWB天線(xiàn)設(shè)計(jì)的最開(kāi)始階段,計(jì)算得到非對(duì)稱(chēng)半波長(zhǎng)二階阻抗諧振器的總長(zhǎng)度。

2 仿真與分析

應(yīng)用Ansoft HFSS 13.0電磁仿真軟件對(duì)陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究,確定其對(duì)天線(xiàn)性能的影響。

2.1 陷波結(jié)構(gòu)寬度L2對(duì)陷波特性的影響

在保證非對(duì)稱(chēng)二階阻抗諧振器總長(zhǎng)度不變的情況下,諧振器的寬度對(duì)陷波帶寬的影響如圖4所示。

由圖4可知，隨著寬度L2的增加陷波中心頻率向左移動(dòng),并且寬度L2由2.00 mm增加到3.00 mm時(shí),陷波帶寬由0.6 GHz減小到0.4 GHz,但寬度L2繼續(xù)增加,由3.00 mm增加到4.00 mm時(shí),陷波帶寬由0.4 GHz增大到1.1 GHz,這說(shuō)明只調(diào)整陷波結(jié)構(gòu)的寬度不能有效地控制陷波帶寬。

圖4 陷波結(jié)構(gòu)寬度對(duì)陷波帶寬的影響

2.2 陷波結(jié)構(gòu)位置對(duì)陷波特性的影響

陷波結(jié)構(gòu)位置對(duì)陷波帶寬的影響如圖5所示。由圖5可知,隨著陷波結(jié)構(gòu)位置t由2.00 mm增加到4.00 mm,陷波帶寬由0.7 GHz減小到0.4 GHz;同時(shí)發(fā)現(xiàn)陷波結(jié)構(gòu)的位置變化對(duì)陷波中心頻率影響較小。

圖5 陷波結(jié)構(gòu)位置對(duì)陷波帶寬的影響

2.3 陷波結(jié)構(gòu)間距對(duì)陷波特性的影響

陷波結(jié)構(gòu)間距對(duì)陷波帶寬的影響如圖6所示。由圖6可知,隨著陷波結(jié)構(gòu)間距g由0.10 mm增大到0.50 mm,陷波帶寬由1.4 GHz減小到0.6 GHz;同時(shí),隨著g的增加電壓駐波比有減小的趨勢(shì),這與微帶饋電線(xiàn)、非對(duì)稱(chēng)半波長(zhǎng)二階阻抗諧振器的能量耦合有關(guān)。

綜上所述,可以通過(guò)同時(shí)改變陷波結(jié)構(gòu)寬度、位置和間距在一定范圍內(nèi)控制天線(xiàn)陷波的帶寬,實(shí)現(xiàn)陷波帶寬的可控特性。

圖6 陷波結(jié)構(gòu)間距對(duì)陷波帶寬的影響

根據(jù)上述分析,使用Ansoft HFSS 13.0優(yōu)化功能,最終得到非對(duì)稱(chēng)二階阻抗諧振器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸為:L1=3.00 mm,L2=6.25 mm,W1=0.20 mm,W2=0.50 mm,t=3.00 mm,g=0.10 m,仿真得到的天線(xiàn)電場(chǎng)分布如圖7所示。由圖7可知,在阻帶中心頻率5.5 GHz處,電場(chǎng)主要集中在非對(duì)稱(chēng)半波長(zhǎng)二階阻抗諧振器附近,造成天線(xiàn)輸入阻抗異常,天線(xiàn)在該頻率附近產(chǎn)生較大的衰減,形成陷波。

圖7 天線(xiàn)在5.5 GHz電場(chǎng)分布

3 測(cè)試結(jié)果及分析

基于最優(yōu)天線(xiàn)尺寸制作了天線(xiàn)的樣品,如圖8a所示,仿真及測(cè)量的天線(xiàn)電壓駐波比對(duì)比和天線(xiàn)增益如圖8b和圖8c所示。由圖8可知,電壓駐波比測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性;同時(shí)天線(xiàn)在整個(gè)工作頻帶內(nèi)具有比較平坦的增益特性,在5.5 GHz附近天線(xiàn)的增益顯著下降,有效地抑制了WLAN窄帶通信系統(tǒng)的干擾。

圖8 天線(xiàn)實(shí)物、電壓駐波比仿真和測(cè)量結(jié)果以及增益

天線(xiàn)在3.1、5.0、7.0 GHz頻率的E面和H面方向圖如圖9所示。

由圖9可以看出,天線(xiàn)在E面方向圖呈現(xiàn)啞鈴形狀,類(lèi)似于偶極子天線(xiàn)的方向圖;天線(xiàn)在H面有較好的全向性,可以接收來(lái)自各個(gè)方向的信號(hào)。

圖9 E面和H面輻射方向圖

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款陷波帶寬可控的UWB天線(xiàn),詳細(xì)分析了非對(duì)稱(chēng)半波長(zhǎng)二階阻抗諧振器的寬度、位置和間距對(duì)該天線(xiàn)陷波帶寬的影響?；谧顑?yōu)天線(xiàn)尺寸,制作了天線(xiàn)的樣品。測(cè)試結(jié)果表明,該天線(xiàn)帶寬覆蓋3.1～10.6 GHz,在5.1～6.0 GHz頻段內(nèi)具有良好的陷波特性,可以有效地抑制WLAN窄帶通信系統(tǒng)的干擾。該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,而且具有較小的體積和較低的剖面,具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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[10] 楊光.可控帶寬的陷波UWB天線(xiàn)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Ultra-wideband circular-ring monopole antenna with controllable notched bandwidth

CAI Peijun1, LIAO Tongqing2, ZHAO Fanglei2

(1.School of Jianghuai, Anhui University, Hefei 230039, China; 2.School of Electronics and Information Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China)

It is difficult to control the notched bandwidth of the ultra-wideband(UWB) antennas. A type of UWB circular-ring monopole antenna with controllable notched bandwidth is presented. Firstly, UWB characteristic covering 3.1-10.6 GHz band is produced by using the circular-ring monopole antenna. Then a pair of asymmetric half-wavelength second-order impedance resonators are added to realize the notched function. The notched bandwidth can be easily achieved by adjusting the width, the position and the gap of the asymmetric half-wavelength second-order impedance resonators. Finally, an UWB antenna with rejection band at 5.1-6.0 GHz is designed and fabricated, which effectively limits the interference from WLAN. Experimental results are consistent with simulation results, thus verifying the validity of the simulation.

ultra-wideband(UWB); circular-ring monopole; asymmetric half-wavelength second-order impedance resonator; controllable notched bandwidth

2015-10-14；

2015-11-30

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20123401120008)

蔡培君(1983-),女,安徽合肥人,安徽大學(xué)講師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.06.012

TN826

A

1003-5060(2017)06-0779-05