韓曹政，唐晉生

(西南交通大學(xué) 電磁場與微波技術(shù)研究所，四川 成都 610031)

具有雙帶阻特性的超寬帶縫隙天線

韓曹政，唐晉生

(西南交通大學(xué) 電磁場與微波技術(shù)研究所，四川 成都 610031)

設(shè)計了一款微帶饋電的超寬帶縫隙天線，整體尺寸僅有30 mm×30 mm×1.6 mm，在3.08～11 GHz范圍內(nèi)駐波比小于2，可覆蓋超寬帶頻段。為了實現(xiàn)對WiMAX和WLAN頻段的陷波，分別在地板和饋線上蝕刻不同縫隙，仿真結(jié)果表明：在3.2～3.7 GHz，5～5.9 GHz駐波比大于2，增益顯著下降，而在通帶內(nèi)仍然保持良好的全向輻射特性和穩(wěn)定的增益。該天線結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良，能廣泛應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)中。

超寬帶；帶阻特性；縫隙天線；開槽

超寬帶(Ultra-Wideband， UWB)技術(shù)以其穿透力強(qiáng)、抗干擾力強(qiáng)、高傳輸速率及功耗低等特點，在艦載雷達(dá)、電子對抗、短距離無線通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2002年2月美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)批準(zhǔn)3.1～10.6 GHz頻段作為商業(yè)用途后，超寬帶系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，一系列不同形式的超寬帶天線被相繼提出[1-3]，但是在超寬帶頻段內(nèi)還存在其他如WiMAX(3.3～3.7 GHz)，WLAN(5.15～5.35 GHz， 5.725～5.825 GHz)等窄帶通信頻段，為避免超寬帶系統(tǒng)與窄帶通信的相互干擾，具有帶阻特性的超寬帶天線隨之產(chǎn)生。克服干擾的一種途徑是增加帶阻濾波器，但是濾波器的使用會增大設(shè)計成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。一種簡單有效的方法是在天線輻射貼片或地板嵌入不同形式的諧振結(jié)構(gòu)[4-5]，另外一種方法是增加寄生單元。文獻(xiàn)[6]在地板和饋線分別引入L形縫和L形枝節(jié)產(chǎn)生雙阻帶，文獻(xiàn)[7]在饋線兩旁和地板邊緣加載曲折形枝節(jié)實現(xiàn)帶阻特性，文獻(xiàn)[8-9]通過在輻射片內(nèi)嵌入不同形狀縫隙獲得阻帶，文獻(xiàn)[10-11]引入不同的寄生枝節(jié)產(chǎn)生阻帶，文獻(xiàn)[12]采用蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了三個頻帶的阻斷。

本文設(shè)計了一款微帶饋電的超寬帶縫隙天線，在3.08～11 GHz內(nèi)電壓駐波比(VSWR)小于2，通過在地板和饋線上開槽有效抑制了超寬帶系統(tǒng)與WiMAX和WLAN頻段的干擾，而且在通帶內(nèi)呈現(xiàn)出良好的全向輻射特性，并借助三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS對影響天線性能的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析優(yōu)化。

1 超寬帶縫隙天線設(shè)計

超寬帶縫隙天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，選用厚度H=1.6 mm，相對介電常數(shù)為4.4的FR-4介質(zhì)基板，采用50 Ω微帶線饋電，饋線末端帶有圓形調(diào)諧枝節(jié)，地板上開有半圓和多邊形組合而成的寬縫，為了進(jìn)一步改善阻抗匹配，在饋電點下方的地板上挖一個三角形缺口，形成漸變結(jié)構(gòu)，天線整體尺寸只有30 mm×30 mm(W×L)。

圖1 超寬帶縫隙天線結(jié)構(gòu)

超寬帶縫隙天線饋線長度Lf對阻抗匹配的影響如圖2所示，隨著Lf增大，天線在整個UWB頻帶駐波比有惡化趨勢。圖3給出圓形調(diào)諧枝節(jié)半徑R1從2.5 mm變化到5.5 mm對駐波比的影響，由圖可知，R1主要影響低頻段匹配，當(dāng)R1減小到2.5 mm時，低頻段阻抗匹配惡化較嚴(yán)重。

圖2 駐波比隨Lf變化曲線

圖3 駐波比隨R1變化曲線

圖4為W2對駐波比的影響曲線，由圖4可知，隨著W2的增大，天線在低頻段匹配狀況有所改善，當(dāng)W2增大到24 mm時，天線工作頻率范圍可覆蓋UWB頻段。

為了在UWB頻段內(nèi)進(jìn)一步提升天線匹配性能，在饋電點下方的地板上挖去一個三角形缺口，形成漸變結(jié)構(gòu)。不同尺寸缺口對天線駐波比影響如圖5所示，可見，增加三角形缺口后中頻段匹配有一定改善。

圖4 駐波比隨W2變化曲線

圖5 三角形缺口對駐波比影響

經(jīng)仿真優(yōu)化后，天線最終尺寸為：Wf=3 mm，Lf=11 mm，R1=4 mm，Lg=10 mm，W1=12 mm，L1=4 mm，W2=24 mm，L2=3 mm，T1=4 mm，T2=6 mm。相應(yīng)駐波比曲線如圖6所示，天線在3.08～11 GHz范圍內(nèi)VSWR<2，阻抗匹配良好。

圖6 超寬帶縫隙天線駐波比

2 阻帶結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了濾除WiMAX和WLAN頻段，在上述超寬帶縫隙天線的地板和饋線上分別蝕刻L形和折疊倒U形縫隙，如圖7所示，L形縫和折疊倒U形縫尺寸初始值可由式(1)、式(2)計算得到

(1)

(2)

式中：L1，L2分別為L形和折疊倒U形槽的總長度；c為光速；fnotch為各自陷波中心頻率；εre為有效介電常數(shù)，求得初始值后再由仿真軟件優(yōu)化得到最佳尺寸。

L形縫隙參數(shù)LS4對阻帶特性影響如圖8所示，L形槽主要影響WiMAX頻段，隨著LS4變長，阻帶中心頻率向低頻移動，與式(1)相吻合，而另一個阻帶基本沒有變化。

圖7 帶阻天線結(jié)構(gòu)

圖8 駐波比隨LS4變化曲線

折疊倒U形槽長度LS1及位置D1對阻帶特性影響在圖9、圖10中給出，結(jié)果表明當(dāng)其他參數(shù)不變時，隨著LS1增大，WLAN頻段陷波中心頻率降低，當(dāng)D1由4 mm增加到8 mm，阻帶中心頻率從5.7 GHz下降到5.3 GHz，阻帶寬度變窄，同樣，折疊倒U形槽尺寸的改變并沒有對WiMAX陷波頻段產(chǎn)生明顯影響。

圖9 駐波比隨LS1變化曲線

經(jīng)仿真分析得到阻帶結(jié)構(gòu)尺寸如下：D1=6 mm，WS1=1.8 mm，LS1=5 mm，S1=0.2 mm，g=0.3 mm，LS2=2 mm，LS3=4.5 mm，LS4=8.4 mm，S2=0.2 mm。圖11為最終雙阻帶天線駐波比曲線，結(jié)果表明天線在3.2～3.7 GHz和5～5.9 GHz范圍駐波比大于2，天線具有雙陷波特性，而在除阻帶外的UWB頻段，匹配特性良好。

圖10 駐波比隨D1變化曲線

圖11 帶阻天線駐波比曲線

圖12給出天線在4 GHz，7 GHz，10 GHz這3個頻點上E面和H面的歸一化輻射方向圖。

圖12 帶阻天線輻射方向圖

由圖可看出，隨著頻率升高方向圖雖然發(fā)生變形，但在整個通帶內(nèi)能基本保持穩(wěn)定，E面呈現(xiàn)類似偶極子的啞鈴型，H面有良好的全向性，可滿足超寬帶通信需求。

雙阻帶天線與無陷波結(jié)構(gòu)的超寬帶縫隙天線峰值增益對比如圖13所示，帶阻天線在3.5 GHz和5.5 GHz附近增益出現(xiàn)明顯下降，而通帶內(nèi)保持在3～6 dB之間，可見嵌入兩種諧振縫隙后天線有效抑制了WiMAX和WLAN窄帶系統(tǒng)與UWB系統(tǒng)間的干擾。

圖13 UWB與陷波天線峰值增益

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一款超寬帶縫隙天線，整體尺寸僅有30 mm×30 mm×1.6 mm，為了抑制UWB系統(tǒng)與WiMAX、WLAN系統(tǒng)的干擾，分別在地板和饋線上開槽，通過改變縫隙尺寸調(diào)節(jié)阻帶中心頻率和帶寬，實現(xiàn)了3.2～3.7 GHz和5.0～5.9 GHz的頻帶阻斷，同時在通帶內(nèi)具備全向輻射特性和穩(wěn)定的增益，該天線體積小、結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良，有一定的實用價值。

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UWB Slot Antenna with Dual Band-notched Characteristic

HAN Caozheng, TANG Jinsheng

(InstituteofEM-TheoryandMicrowaveTechnology,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

A microstrip-fed UWB slot antenna is designed, whose overall size is as small as 30 mm×30 mm×1.6 mm.The Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) of slot antenna is less than 2 over the frequency range of 3.08～11 GHz, covering the whole range of UWB.Two kinds of slots are embedded into the ground plane and feed line to achieve dual band-notched characteristic in the frequency band of WiMAX and WLAN.The results of simulation show that the VSWR is greater than 2 in the frequency range of 3.2～3.7 GHz and 5～5.9 GHz where the gain decrease sharply, meanwhile this proposed antenna demonstrates almost omnidirectional radiation patterns and stable gain across the whole operating bandwidth.The band-notched antenna has a simple configuration and good performance, so it can be used in UWB communication widely.

ultra-wideband(UWB); band-notched characteristic; slot antenna; cutting slot

TN82

A

10.16280/j.videoe.2015.05.015

2014-08-15

【本文獻(xiàn)信息】韓曹政，唐晉生.具有雙帶阻特性的超寬帶縫隙天線[J].電視技術(shù),2015，39(5).

韓曹政(1990— )，碩士，主研天線理論與技術(shù)、電磁兼容；

唐晉生(1960— )，副教授，主研天線理論與技術(shù)、電磁兼容。

責(zé)任編輯：閆雯雯