一種簡(jiǎn)潔的三陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)

史道玲,朱益志,王 靜

(1.安徽新華學(xué)院 電子通信工程學(xué)院,安徽 合肥 230088;2.南京泛微通訊技術(shù)有限公司,江蘇 南京 211101)

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展,大容量、多連接數(shù)、高速度成為緊迫需求,因此超寬帶(UWB)通信是一種很好的解決方案[1]。2002年,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)把3.1～10.6 GHz頻段分配給超寬帶通信使用,主要用于民用/軍用通信、汽車?yán)走_(dá)、成像、監(jiān)控等領(lǐng)域[2]。然而,目前全球微波互聯(lián)接入WiMax、大容量微波通信頻段、無線局域網(wǎng)(WLAN)等無線領(lǐng)域應(yīng)用也位于該頻段中,所以在設(shè)計(jì)超寬帶系統(tǒng)時(shí)需規(guī)避這類頻段,這就要求天線具有某些頻段的陷波特性。

陷波的實(shí)現(xiàn)形式有縫隙結(jié)構(gòu)、寄生單元等,其原理是在天線上引入串聯(lián)或者并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu),從而抑制諧振點(diǎn)的輻射或者將功率反射。通過設(shè)計(jì)縫隙長(zhǎng)寬及位置,可以調(diào)整諧振頻率和強(qiáng)度達(dá)到最佳陷波效果[3-5]。基于此,設(shè)計(jì)了一種超寬帶陷波天線,在天線輻射貼片上引入開槽,抑制3.5 GHz頻點(diǎn)輻射,在饋線上引入窄帶耦合線,將5.0 GHz、7.5 GHz頻點(diǎn)能量導(dǎo)通到地,實(shí)現(xiàn)了三陷波的特性。仿真測(cè)試結(jié)果表明,該天線尺寸20 mm×32 mm×0.5 mm,頻帶內(nèi)駐波<2,實(shí)現(xiàn)有效阻隔,并在6.0 GHz上達(dá)到增益2.1 dBi。天線總體具有良好的輻射和匹配特性,適用于構(gòu)建各種超寬帶系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果明顯。

1 天線結(jié)構(gòu)及分析

超寬帶陷波天線的基片為0.5 mm厚的RO4350B材質(zhì),相對(duì)介電常數(shù)3.66,具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。天線輻射貼片由一個(gè)半徑8.7 mm的圓和一個(gè)17.4 mm×7.0 mm的矩形構(gòu)成,矩形寬邊過圓心,兩窄邊與圓兩邊相切,饋線由50 Ω微帶線組成。該天線可天然匹配到50 Ω,無需額外匹配結(jié)構(gòu)。

通過在天線輻射貼片上開槽實(shí)現(xiàn)第一個(gè)陷波,當(dāng)開槽長(zhǎng)度等于二分之一波長(zhǎng)時(shí),即可產(chǎn)生陷波效果[6],其諧振頻率可由公式(1)、公式(2)依次計(jì)算獲得。

(1)

(2)

式中,εr為基板介電常數(shù),εeff為等效介電常數(shù),L為開槽長(zhǎng)度,c為光速。

圖1 天線結(jié)構(gòu)尺寸圖

圖2 3 GHz頻段陷波特性分析

圖2為輻射貼片上開槽的長(zhǎng)度L對(duì)天線電壓駐波比的影響。由圖可見,開槽長(zhǎng)度的變化僅對(duì)3.0～4.0 GHz左右的陷波頻段產(chǎn)生影響,因此,開槽使得天線在WiMax頻段產(chǎn)生陷波,且隨著長(zhǎng)度L的增加,陷波中心頻率減小。當(dāng)L=13 mm時(shí),陷波中心頻率在4.0 GHz左右;當(dāng)L增大到17.0 mm時(shí),陷波中心頻率減小至3.3 GHz左右。此時(shí)電場(chǎng)集中在槽線周圍,串聯(lián)諧振器達(dá)到了諧振狀態(tài)[7],使得天線在該頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)陷波抑制功能。其他頻點(diǎn)電場(chǎng)主要集中在導(dǎo)帶和饋電點(diǎn)附近,并不影響天線的超寬帶特性。

第二和第三個(gè)陷波點(diǎn)均采用耦合微帶實(shí)現(xiàn)。同樣,當(dāng)耦合線等于二分之一波長(zhǎng)時(shí)可產(chǎn)生陷波效果[8],由于耦合線是微帶,其等效介電常數(shù)εeff可由公式(3)計(jì)算獲得：

(3)

式中,εr是基板介電常數(shù),h為基板厚度,w為導(dǎo)帶寬度。根據(jù)上述公式計(jì)算5.0 GHz陷波以及7.5 GHz陷波得出微帶長(zhǎng)度為13.0 mm和17.0 mm。利用三維高頻電磁場(chǎng)仿真工具HFSS掃描耦合度,可得到微帶線耦合間距s和耦合長(zhǎng)度l之間的比例關(guān)系,通過仿真驗(yàn)證可知,當(dāng)s=0.254 mm,l=4.0 mm時(shí),可獲得最佳陷波效果。

圖3為超寬帶陷波天線在不同時(shí)期的電場(chǎng)分布圖,其中圖(a)為正常輻射時(shí)的電流分布,圖(b)—(d)是三個(gè)陷波點(diǎn)的電流分布。由圖可見,在3.3 GHz陷波點(diǎn)上,電場(chǎng)集中在開槽處;5.0 GHz陷波點(diǎn)上,電場(chǎng)集中在長(zhǎng)耦合線上;7.5 GHz陷波點(diǎn)上,電場(chǎng)集中在短耦合線上。三種電場(chǎng)分布均無法對(duì)外輻射,實(shí)現(xiàn)了陷波。

圖3 電場(chǎng)分布圖

圖3 (續(xù))

通過上述仿真分析,開槽和耦合線僅對(duì)各自的陷波頻段產(chǎn)生影響,對(duì)其他頻段不產(chǎn)生影響,因此,可以通過調(diào)節(jié)開槽和耦合線的長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)不同頻段上的陷波功能,凸顯了設(shè)計(jì)的靈活性。

圖4為超寬帶陷波天線在6.0 GHzE面和H面的歸一化方向圖,其中圖(a)為仿真三維立體圖,圖(b)為對(duì)應(yīng)的二維圖。由圖可見,天線在H面上全向輻射特性較好,在E面上近似于偶極子天線輻射特性,方向圖存在一些由于畸變而導(dǎo)致的不對(duì)稱,這是由于開槽寄生引起的干擾。

圖4 輻射方向圖

2 測(cè)試及分析對(duì)比

圖5為超寬帶陷波天線的實(shí)物照片,天線印制在介電常數(shù)3.4,厚度0.5 mm的RO4350B板材上,并利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試天線駐波。

圖6為超寬帶三陷波天線電壓駐波比(VSWR)的仿真與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖。實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線基本吻合,實(shí)測(cè)與仿真之間的細(xì)微差別可能是制造精度或者天線接頭引起的寄生參數(shù)導(dǎo)致,基本頻率越高,誤差越大。由圖6可見,2.0～11.0 GHz頻帶內(nèi),天線分別在3.6 GHz,5.6 GHz和7.4 GHz附近產(chǎn)生陷波而形成阻帶。

圖5 實(shí)物照片

圖6 駐波測(cè)試仿真對(duì)比

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)一種小型的UWB天線,通過輻射貼片和饋線上的縫隙及耦合線實(shí)現(xiàn)陷波特性,通過調(diào)節(jié)縫隙的長(zhǎng)寬、耦合線的耦合度和長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)對(duì)陷波頻段的控制,從而避免WiMax、大容量微波通信頻段和WLAN頻段的干擾。測(cè)試結(jié)果顯示,該超寬帶三陷波天線在2.0～11.0 GHz頻帶內(nèi)有良好的阻抗特性、陷波特性和輻射特性,且天線尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)快速、易于PCB集成,可作為短距離無線通信中UWB天線的解決方案。