一種新型小尺寸三陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)

蔡際周，官伯然

(杭州電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)研究所，浙江 杭州 310018)

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)在2002年通過了允許將超寬帶(Ultra Wide Band ,UWB)技術(shù)應(yīng)用于民用通信的規(guī)范，并劃分了3.1～10.6 GHz的工作頻帶，UWB技術(shù)得以迅速發(fā)展[1]。UWB技術(shù)有超寬的信號(hào)傳輸帶寬、低發(fā)射功耗以及高速數(shù)據(jù)傳輸速率等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此具有非常廣闊的發(fā)展前景。然而隨著各種通信協(xié)議的不斷增加，頻譜資源也日益緊張。比如在UWB通信頻段內(nèi)同時(shí)還存在著如3.7～4.2 GHz的C頻段衛(wèi)星系統(tǒng)、5.15～5.825 GHz的無線局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Local Area Network ,WLAN)和7.9～8.4 GHz的X頻段衛(wèi)星系統(tǒng)等各種窄帶通信系統(tǒng)。為避免UWB通信系統(tǒng)中的其它頻段的干擾，使用濾波器是一種常見的辦法，但是這樣會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，也不利于系統(tǒng)的集成化和小型化。為解決上述問題，科研人員設(shè)計(jì)出了具有陷波特性的UWB天線。

近年來，多種具有陷波特性的UWB天線被廣泛研究[3-15]，一般都是引入可以產(chǎn)生陷波特性的幾何結(jié)構(gòu)，如在天線輻射體上蝕刻各種形狀的縫隙或者槽線以及缺陷地等結(jié)構(gòu)來獲得所需頻段上的陷波?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中提出的具有陷波特性的UWB天線主要有以下不足：陷波頻段無法精確地完全覆蓋C波段衛(wèi)星系統(tǒng)、WLAN系統(tǒng)和X波段衛(wèi)星系統(tǒng)等窄帶通信系統(tǒng)；天線尺寸較大，沒有滿足小型化要求，集成難度大；天線幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給天線制作帶來很大困難。

針對(duì)這些不足，本文提出了一種帶有三陷波特性的UWB天線。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體尺寸為30 mm×30 mm×1.6 mm。完全覆蓋所需的陷波頻帶，這些陷波的頻段分別是通過在天線的圓形輻射貼片上內(nèi)嵌一對(duì)Y型貼片、地板蝕刻出的倒U型貼片和饋電線旁邊放置一對(duì)開口諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)的。

1 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

具有三陷波特性的UWB天線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。天線蝕刻在介電常數(shù)為4.4和厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)板上天線的尺寸為30 mm×30 mm。并通過長(zhǎng)寬為L(zhǎng)4和W5的50 Ω微帶線進(jìn)行饋電。

圖1 三陷波UWB天線結(jié)構(gòu)圖

圖2顯示了天線設(shè)計(jì)的4個(gè)步驟。步驟1中是原始的天線，由圓形輻射貼片、長(zhǎng)方形地板和50 Ω的饋電線組成。步驟2中，為了能夠獲得良好的阻抗匹配特性，需要對(duì)接地板的形狀和尺寸進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。接地板上沿缺口三角形邊長(zhǎng)L8和W10決定著接地板的漸變程度，從而影響阻抗匹配的好壞程度。另一個(gè)影響接地板的漸變程度是長(zhǎng)寬為W9和L9的缺口長(zhǎng)方形。因此，通過優(yōu)化這4個(gè)參數(shù)，使得天線能夠在各個(gè)諧振模式中實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過度，從而進(jìn)一步拓寬天線的阻抗帶寬。步驟3中，在介質(zhì)板的背面，輻射貼片圓的下面蝕刻出倒U型貼片去實(shí)現(xiàn)C頻段的陷波。并且為了實(shí)現(xiàn)WLAN頻段的陷波，先把輻射圓蝕刻成圓環(huán)后再內(nèi)嵌一對(duì)倒Y型貼片。最后，在輻射圓和50 Ω饋電線附近增加一對(duì)對(duì)稱的開口諧振環(huán)來實(shí)現(xiàn)X頻段的陷波。

圖2 三陷波UWB天線設(shè)計(jì)的步驟

原始天線具有良好的UWB特性，在充分考慮整體尺寸的前提下，適當(dāng)?shù)剡x擇圓形貼片和共面地板的大小來保證天線的阻抗匹配特性。陷波的原理是在對(duì)應(yīng)的中心頻率點(diǎn)引入諧振器，天線工作在此頻率附近時(shí)，表面電流將會(huì)集中槽口周圍，造成阻抗失配而形成陷波。所以在貼片上面蝕刻圓環(huán)縫隙和裂縫，使得圓環(huán)縫隙和裂縫周圍的電流重新分布，形成了陷波特性?？紤]在介電常數(shù)為4.4 時(shí)，陷波結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度約為陷波頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的 1/2，考慮縫隙和裂縫之間的耦合，在初始值附近進(jìn)行一定的優(yōu)化就可得出設(shè)計(jì)天線的具體參數(shù)。

使用3D電磁仿真軟件HFSS15.0對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真，經(jīng)過加工調(diào)試后天線的尺寸為:R1=6.5 mm,R2=4.5 mm,R3=2.6 mm,R4=1.8mm,W1=0.5mm,W2=1.7mm,W3=0.3mm,W4=0.3mm,W5=15.4mm,W6=2.9mm,W7=7.2mm,W8=11mm,W9=2.5mm,W10=8.5mm,W11=14mm,L1=1.5mm,L2=0.3mm,L3=4.7mm,L4=2.8mm,L5=1mm,L6=5.1mm,L7=3mm,L8=9mm,L9=5mm。

2 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3給出了三陷波UWB天線各個(gè)步驟的回波損耗的HFSS仿真結(jié)果圖。可以看出步驟1的天線帶寬為3.5～12 GHz，但是在5.5～9.5 GHz的回波損耗略大于-10 dB，還不符合指標(biāo)要求。經(jīng)過優(yōu)化后的步驟2中的天線帶寬為2.4～12 GHz，相比步驟1的帶寬增加了1.1 GHz，優(yōu)化后的天線具有良好的阻抗匹配。從步驟4的回波損耗曲線圖可以看出一對(duì)Y型貼片、倒U型貼片和一對(duì)開口諧振環(huán)的陷波功能，3個(gè)貼片有各自陷波頻帶，頻帶分別為3.5～4.2 GHz,5～5.9 GHz,7.9～8.4 GHz。步驟3的天線的兩個(gè)陷波特性會(huì)相互影響，而對(duì)步驟4的天線陷波頻段沒有太大影響。

圖3 各個(gè)步驟的天線回波損耗曲線圖

圖4為三陷波UWB天線的隨頻率變化的實(shí)測(cè)增益圖，天線在通帶內(nèi)增益穩(wěn)定，曲線平坦，范圍在3～5 dBi，而在阻帶內(nèi)增益則下降至-8 dBi、-10.9 dBi和-9 dBi，出現(xiàn)的頻率也正如預(yù)期的出現(xiàn)在4 GHz，5.5 GHz和8 GHz。以上結(jié)果進(jìn)一步說明天線在通帶內(nèi)能夠正常的工作，而在阻帶內(nèi)由于增益的不足具有良好的陷波特性。

圖4 天線實(shí)測(cè)增益曲線圖

圖5給出的是在3.2 GHz、4.5 GHz、6.8 GHz以及9.5 GHz頻率點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。這4個(gè)頻率點(diǎn)分別處2.9～3.5 GHz、4.2～5 GHz、5.9～7.9 GHz、8.4～10.7 GHz 等4個(gè)通帶內(nèi)。從圖中可知，天線H面輻射方向圖都為橢圓形，具有全向性輻射特性。E面輻射方向圖都呈“8”字形的定向輻射，和傳統(tǒng)的單極子天線的方向圖相似。天線的方向圖在中低頻段范圍內(nèi)變化不大，只在高頻段時(shí)，方向圖才開始產(chǎn)生一定程度的畸變。這些方向圖說明該天線在4個(gè)通帶內(nèi)輻射特性良好，滿足UWB通信的要求。

圖5 三陷波UWB天線輻射方向圖

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的天線的實(shí)用性和有效性，根據(jù)圖1中的天線設(shè)計(jì)加工了天線實(shí)物，圖6給出了天線原型實(shí)物圖。

圖6 三陷波UWB天線實(shí)物圖

使用Rohde&Schwarz公司ZVB4矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)UWB三陷波天線的回波損耗進(jìn)行測(cè)量，得到其回波損耗結(jié)果。圖7給出了三陷波UWB天線回波損耗的HFSS仿真結(jié)果和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果。從圖中可看出，天線的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，偏差是由于天線加工制作的過程中存在誤差、SMA接頭的焊接誤差及介質(zhì)基板質(zhì)量等原因引起的。

圖7 天線測(cè)試和仿真回波損耗曲線圖

3 結(jié)束語

文中提出了一種新型小尺寸的具有三陷波特性的超寬帶天線，天線的整體尺寸為30 mm×30 mm×1.6 mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工制作和系統(tǒng)集成。在圓形輻射貼片超寬帶天線的基礎(chǔ)上，通過在圓環(huán)輻射貼片上內(nèi)嵌一對(duì)Y型貼片、介質(zhì)板底面蝕刻倒U型貼和一對(duì)開口諧振環(huán)使天線實(shí)現(xiàn)了3陷波功能，即在3.9 GHz、5. 5 GHz和8.1 GHz 的窄帶范圍具有良好的陷波特性，有效抑制了通信系統(tǒng)相關(guān)頻段對(duì)于UWB系統(tǒng)的潛在干擾。此外，該天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)具有良好的輻射特性和穩(wěn)定增益，符合UWB天線的性能指標(biāo)要求，在UWB通信系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。

[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] Chu Qingxin, Mao Chunxu, Zhu He. A compact notched band UWB slot antenna with sharp selectivity and controllable bandwidth[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, 61(8): 3961-3966.

[3] Choi H S,Kim T W,Hwang H Y,et al. An UWB antenna design with adjustable second rejection band using a SIR[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2014,50(2):913-916.

[4] Li L,Zhang X,Yin X,et al.A compact triple-band printed monopole antenna for WLAN/WiMAX applications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2016,15(2):853-1855.

[5] Liu Y,Chen Z,Gong S.Triple band-notched aperture UWB antenna using hollow-cross-loop resonator[J]. Electronics Letters,2014,50(10):728-730.

[6] Wang J,Yin Y,Liu X.Triple band-notched ultra-wideband antenna using a pair of novel symmetrical resonators[J].IET Microwaves,Antennas & Propagation, 2014,8(14):1154-1160.

[7] Yu Kai,Li Yingsong,Luo Xianping,et al. A fan-shaped quad band-notched UWB antenna using two fork-shaped resonators[C].Shanghai:2016 Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS),2016.

[8] Saxena A,Gangwar R P S.A compact UWB antenna with dual band-notched at WiMAX and WLAN for UWBapplications[C].Bangkok:2016 International Conference on Electrical, Electronics and Optimization Techniques (ICEEOT),2016.

[9] Liu Wenqi,Jiang Tao.Design and analysis of a tri-band notch UWB monopoleantenna[C].Shanghai:2016 Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS),2016.

[10] Lin C C,Ziolkowski R W.Tri-band notched ultra-wideband antenna using capacitively loaded loops(CLLs)[C].Toronto: 2010 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,2010.

[11] 帥陳楊,王光明,宗彬峰,等.一種緊湊型超寬帶雙陷波天線設(shè)計(jì)與研究[J].微波學(xué)報(bào),2016,37(5):39-43.

[12] 董健,胡國(guó)強(qiáng),徐曦,等.一種可控三陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)與研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2015,37(9):2277-2281.

[13] 吳愛婷,官伯然.一種具有三阻帶特性的超寬帶天線的設(shè)計(jì)與研究[J].微波學(xué)報(bào),2015,36(2):15-19.

[14] 袁耿,林嘉揚(yáng),李鉑.一種具有三陷波特性的超寬帶印刷天線設(shè)計(jì)[J].電子科技,2013,27(1):71-73.

[15] 曹新宇,張金玲,楊虹蓁.新型小尺寸雙陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2014,29(3):548-551.