孫榮輝，高衛(wèi)東，劉 漢，李 樂，沈 旭

（解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037）

0 引言

自從美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Co mmission，F(xiàn)CC）于2002年將3.1～10.6 GHz頻段劃歸為超寬帶（Ultra-wideband，U WB）的民用頻段后［1］，超寬帶通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用成為無(wú)線通信領(lǐng)域激烈競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。作為超寬帶通信系統(tǒng)的重要組成部分，新型超寬帶天線設(shè)計(jì)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)［2］。但考慮到超寬帶通信系統(tǒng)的工作頻段內(nèi)還存在諸如IEEE802.11a無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN，5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz）、IEEE802.16全球微波互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Wi MAX，3.4～3.6 GHz）和 C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)（3.7～4.2 GHz）等其他通信系統(tǒng)，為了抑制超寬帶天線與窄帶信號(hào)間潛在的干擾，一種簡(jiǎn)單而有效的方法就是使超寬帶天線在潛在干擾頻段內(nèi)具有陷波功能。因此，具有陷波功能的超寬帶天線已經(jīng)成為近年來(lái)的一個(gè)熱門研究課題［3－5］。

基于以上研究背景，可利用互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)（Co mplementary split-ring resonator，CSRR）［6］的阻帶特性在超寬帶天線的潛在干擾頻段內(nèi)產(chǎn)生陷波。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有學(xué)者［7－8］在這方面做了一些工作，但是文獻(xiàn)［7－8］中單個(gè)互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)只能實(shí)現(xiàn)單陷波功能，要想增加陷波頻段，只能通過(guò)增加互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)個(gè)數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。本文提出了一種單個(gè)互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)的雙陷波超寬帶天線，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法的正確性。

1 金屬開口諧振環(huán)

金屬開口諧振環(huán)（Split-ring resonator，SRR）［9］由英國(guó)科學(xué)家Pendry等人在研究左手材料的過(guò)程中首次提出，SRR是由一對(duì)開口方向相反的同心金屬環(huán)組成，CSRR是其互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，由一對(duì)開口方向相反的介質(zhì)縫隙組成，即通過(guò)在金屬介質(zhì)上刻蝕SRR得到，圖1為SRR和CSRR的結(jié)構(gòu)示意圖。CSRR具有很好的品質(zhì)因數(shù)，單個(gè)CSRR即可在其諧振頻率附近產(chǎn)生陡峭的阻帶，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸容易控制的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 SRR和CSRR的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic representation of SRR and CSRR

文獻(xiàn)［7］中，作者通過(guò)在天線的輻射貼片上刻蝕單個(gè)CSRR的方法，實(shí)現(xiàn)了在WLAN頻段內(nèi)的陷波功能，但該天線只具有單陷波功能；在文獻(xiàn)［8］中，作者進(jìn)一步研究了CSRR阻帶特性，通過(guò)引入兩個(gè)CSRR的方法，使得天線在3.65 GHz和5.75 GHz具有雙陷波功能，但所需考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，且兩者本質(zhì)上是一致的，即單個(gè)CSRR只能實(shí)現(xiàn)單陷波功能。本人通過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單個(gè)CSRR也能實(shí)現(xiàn)雙陷波功能，并設(shè)計(jì)了一種單個(gè)互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)的雙陷波超寬帶天線。

2 單個(gè)互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)雙陷波超寬帶天線

本文以一種燕尾形平面超寬帶天線為載體，通過(guò)在其輻射貼片上加入單個(gè)CSRR結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種單個(gè)互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)的雙陷波超寬帶天線。所謂燕尾形［10－13］，顧名思義，實(shí)際上是在一個(gè)矩形上裁剪出一個(gè)半（橢）圓，然后將裁出的半（橢）圓移至被裁矩形的下方，并與之合并而生成的一種新的形狀。燕尾形的主要特點(diǎn)是：在與矩形面積相同的情況下具有（橢）圓形漸變性結(jié)構(gòu)。采用漸變性結(jié)構(gòu)使得天線可以從一個(gè)頻率諧振模式平緩地過(guò)渡到另一個(gè)頻率諧振模式，確保了天線在較寬的頻帶范圍內(nèi)獲得良好的阻抗匹配特性［14］。本文將天線的輻射貼片設(shè)計(jì)為圓形漸變性結(jié)構(gòu)，保證了它在較寬的頻段范圍內(nèi)具有良好的阻抗匹配特性。仿真結(jié)果表明：此種采用圓形漸變性結(jié)構(gòu)的燕尾形超寬帶天線在2～14 GHz的頻段范圍內(nèi)滿足電壓駐波比小于2的條件，符合美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)規(guī)定的設(shè)計(jì)要求［1］。

圖2是本文所設(shè)計(jì)的單個(gè)互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)雙陷波超寬帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖，具體尺寸參數(shù)如表1所示。該天線制作在相對(duì)介電常數(shù)εr＝2.65、厚度H＝1 mm、損耗正切tanδ＝0.02的聚四氟乙烯基板上，基板尺寸為40.9 mm×34 mm。天線末端焊接SMA接頭，并連接同軸電纜進(jìn)行饋電。

圖2 單個(gè)互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)雙陷波超寬帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of dual band-notched UWB antenna with one CSRR

表1 天線結(jié)構(gòu)中的尺寸參數(shù)Tab.1 The parameters size in the proposed antenna str uct ure／mm mm

為了實(shí)現(xiàn)該燕尾形超寬帶天線的雙陷波特性，文獻(xiàn)［6—7］的方法需在其輻射貼片上加入兩個(gè)CSRR結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的是一種單個(gè)互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)雙陷波超寬帶天線。利用電磁仿真軟件HFSS 10.0對(duì)天線進(jìn)行仿真計(jì)算，得到陷波前后該天線的回波損耗對(duì)比如圖3所示。通過(guò)對(duì)加入CSRR結(jié)構(gòu)前后天線回波損耗的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，CSRR結(jié)構(gòu)的引入使得該天線在3.4 GHz和5.75 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)具有明顯的雙陷波特性。

圖3 燕尾形超寬帶天線陷波前后的回波損耗比較Fig.3 Return loss comparison of the swallow-tailed shaped UWB antenna with and without CSRR

3 仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 天線陷波特性的原理分析

為了驗(yàn)證陷波特性的存在，采用電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS 10.0對(duì)天線表面電流密度進(jìn)行計(jì)算，選取陷波頻段和通帶內(nèi)的頻率點(diǎn)，觀察其電流密度變化。以3.45 GHz（駐波）和9 GHz（行波）為例，仿真結(jié)果如圖4所示。

可以看出，在3.4 GHz頻率處，天線的表面電流密度集中在CSRR開槽附近，并呈現(xiàn)駐波狀態(tài)；在9 GHz頻率處，天線表面電流密度分布在饋線和輻射貼片周圍，呈現(xiàn)行波狀態(tài)。駐波狀態(tài)時(shí)CSRR附近電流方向相反，天線不能正常輻射。

圖4 天線工作在行波和駐波狀態(tài)時(shí)的電流密度Fig.4 Surface current density of the pr oposed antenna wor king in travelling and standing wave conditions

圖5 為端口位置不同頻率點(diǎn)的阻抗曲線。從圖中可以看出，天線在3.4 GHz左右，端口處的電阻值和電抗值都近似為零，可以認(rèn)為天線回路中發(fā)生串聯(lián)諧振，電路呈現(xiàn)短路狀態(tài)；在5.75 GHz左右，天線端口處的電阻值和電抗值達(dá)到最大值，此時(shí)回路發(fā)生并聯(lián)諧振，電路呈現(xiàn)開路狀態(tài)。由此可以得到圖6所示陷波頻率處的等效電路［13］。

圖5 天線不同頻率點(diǎn)的阻抗曲線Fig.5 Impedance bight of the pr oposed antenna in different frequencies

圖6 陷波特性的諧振電路分析Fig.6 Resonator circuit analysis of the band-notched characteristic

從圖6的等效諧振電路中可以看出，當(dāng)天線工作在陷波頻段以外的通頻帶內(nèi)時(shí)，能夠向外輻射能量，可以正常工作。當(dāng)天線工作在3.4 GHz時(shí)發(fā)生并聯(lián)諧振，工作在5.75 GHz時(shí)發(fā)生串聯(lián)諧振，電磁能量分別存儲(chǔ)在兩個(gè)枝節(jié)中，不能正常輻射，即具有陷波特性。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于圖2所示燕尾形超寬帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖以及表1中該天線結(jié)構(gòu)中的具體尺寸參數(shù)，本文對(duì)所設(shè)計(jì)的引入CSRR結(jié)構(gòu)后的雙陷波超寬帶天線進(jìn)行了實(shí)際加工制作，天線整體尺寸為40.9 mm×34 mm×1 mm，介質(zhì)基板選用聚四氟乙烯材料，介電常數(shù)εr＝2.65、損耗正切tanδ＝0.02，圖7所示為加工的實(shí)物照片。利用Agilent N5230 A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的電壓駐波比進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖8所示。

圖7 單個(gè)互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)雙陷波超寬帶天線的實(shí)物照片F(xiàn)ig.7 The photograph of fabricated dual band-notched UWB antenna with one CSRR

圖8 天線的電壓駐波比的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Co mparison of si mulated and measured VSWR of t he proposed antenna

圖8 表明，天線在3.4 GHz和5.75 GHz處形成兩個(gè)陷波頻段，頻段范圍包含了3.3～3.6 GHz和5.15～5.8 GHz，能夠有效抑制 Wi MAX和WLAN系統(tǒng)的干擾，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果基本吻合，只是在高頻段存在偏差，作者分析兩者存在的誤差主要是由SMA同軸接頭的焊接和天線尺寸的加工誤差等因素造成的。

超寬帶天線的工作頻帶很寬，其各項(xiàng)性能指標(biāo)是與頻率有關(guān)的函數(shù)，在整個(gè)頻段內(nèi)無(wú)法保持恒定。所以，只采用阻抗帶寬來(lái)描述超寬帶天線的特性是不夠的，還必須考察天線是否具有穩(wěn)定的方向圖。選取3個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行仿真，得到歸一化方向圖，如圖9所示。在3 GHz、7 GHz和9 GHz處對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，從圖9中可以看出，天線E面 （y-z）方向圖與偶極子天線類似，H面（x-z）方向圖近似為等幅全向。雖然主瓣略有偏差，但遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖基本一致，滿足超寬帶天線整體帶寬內(nèi)輻射一致性的要求。

圖9 天線的E面和H面歸一化輻射方向圖Fig.9 Radiation patterns of the proposed antenna on E-plane and H-plane at 3、7 and 9 GHz

超寬帶天線加入CSRR結(jié)構(gòu)陷波前后的增益曲線如圖10所示?？梢钥闯?，工作頻段內(nèi)的增益比陷波頻段的增益高4 d B以上，天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)具有較好的增益特性。在陷波頻段處增益顯著下降，天線幾乎不工作，表明天線具有明顯的陷波特性，達(dá)到了在中心頻率3.4 GHz和5.75 GHz兩個(gè)頻段干擾抑制的效果。

4 結(jié)論

本文提出了一種單個(gè)互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)的雙陷波超寬帶天線。通過(guò)在天線的燕尾形輻射貼片上加入單個(gè)CSRR結(jié)構(gòu)，分別在3.3～3.6 GHz和5.15～5.8 GHz兩個(gè)頻段處產(chǎn)生陷波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)在天線的輻射貼片上刻蝕單個(gè)CSRR結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)其雙陷波功能。與相關(guān)文獻(xiàn)相比，該方法更加簡(jiǎn)單易行。該天線體積小、重量輕、易于加工，在超寬帶通信系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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