林　滑，余厲陽，孟凡亮，談　琦

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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新型雙陷波超寬帶印刷天線設(shè)計(jì)

林滑，余厲陽，孟凡亮，談琦

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

提出一種新型的具有雙陷波特性的印刷超寬帶單極子天線.通過Y型結(jié)構(gòu)饋電，采用輻射貼片切角和弧形地等手段來拓寬天線帶寬，刻蝕縫隙來產(chǎn)生陷波特性，并通過調(diào)整縫隙的長(zhǎng)度和位置來改變陷波頻率.用26.4 mm×25 mm的FR4板制成實(shí)物，使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363B測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明，天線在3～16.9 GHz頻段內(nèi)的駐波比小于2，在3.3～4.0 GHz和4.8～6.0 GHz頻段內(nèi)產(chǎn)生陷波.最后，仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、對(duì)稱性好、帶寬大等優(yōu)點(diǎn).

陷波特性；輻射模式；單極性天線；高頻干擾

0　引　言

2002年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)批準(zhǔn)將3.1～10.6 GHz用于商用的超寬帶通信系統(tǒng).超寬帶通信系統(tǒng)應(yīng)用于短距離通信和遙感，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、頻譜功率密度低、測(cè)距精度高、成本低、復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，因而在無線通信領(lǐng)域引起了廣泛重視.

超寬帶通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊且具有寬帶特性的天線.早期的超寬帶天線有文獻(xiàn)[1]提出的雙錐形結(jié)構(gòu)和文獻(xiàn)[2]提出的圓形貼片結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)[3]利用了三叉形結(jié)構(gòu)和錐形阻抗變壓器，使其電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)小于2，頻率范圍為2.75～16.2 GHz.然而，超寬帶系統(tǒng)的工作頻率往往會(huì)對(duì)當(dāng)前的無線通信系統(tǒng)造成干擾.雖然空間濾波器可以抑制干擾信號(hào)，但占用了較大的空間.10.6 GHz以下的系統(tǒng)采用具有陷波特性的超寬帶天線，可以避免頻譜沖突[3-6].而天線的陷波特性通常利用嵌入縫隙的方法來實(shí)現(xiàn)[7].

本文采用嵌入縫隙的方法，設(shè)計(jì)一種具有雙陷波特性的超寬帶天線，有效地避免與WiMAX和WLAN通信信號(hào)產(chǎn)生的干擾，實(shí)測(cè)效果良好.

1　天線結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為3種常見的天線結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了相關(guān)尺寸.其中超寬帶天線采用Y型弧結(jié)構(gòu)饋電，以及輻射貼片切角和弧形接地板等設(shè)計(jì)手段.

利用MICROWAVE STUDIO進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，矩形單極印刷天線的阻抗帶寬小.由于錐形天線在較大的一段頻率范圍內(nèi)輸入阻抗變化小[1]，帶切角的單極印刷天線的頻率覆蓋范圍可達(dá)到2.9～13.6 GHz，VSWR<1.5.而無陷波特性的超寬帶天線的頻率覆蓋范圍為2.5～18 GHz，VSWR<2.因此采用超寬帶天線結(jié)構(gòu)，可以大大地拓展天線的頻率覆蓋范圍.

圖1　3種帶天線結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸參數(shù)(單位：mm)

圖2　3種天線結(jié)構(gòu)的回波損耗仿真結(jié)果

2　天線設(shè)計(jì)

為拓寬天線的帶寬，采用圖1(c)所示結(jié)構(gòu)，并通過在輻射貼片增加2個(gè)縫隙(即縫隙1和縫隙2)產(chǎn)生陷波，實(shí)現(xiàn)雙陷波特性.輻射貼片上的每個(gè)縫隙相當(dāng)于1個(gè)LC諧振電路，且其品質(zhì)因數(shù)Q值很大[6-7].天線的阻抗特性在諧振頻率點(diǎn)上發(fā)生改變，并產(chǎn)生陷波特性，且縫隙總長(zhǎng)度約為陷波中心、頻率波長(zhǎng)的一半.因此調(diào)節(jié)縫隙總長(zhǎng)度可以改變諧振頻率，并在特定的頻率段實(shí)現(xiàn)陷波.

由于電流存在邊緣效應(yīng)，令縫隙1盡量靠近貼片的下邊緣位置，可在陷波頻率范圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振，實(shí)現(xiàn)較好的陷波效果.不斷調(diào)整縫隙2在輻射貼片上的位置，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)縫隙2靠近貼片上邊緣時(shí)，3.5 GHz陷波處的VSWR增大，而5.5 GHz陷波處的VSWR減小，如圖3所示.相反，當(dāng)縫隙2靠近縫隙1時(shí)，5.5 GHz陷波處的VSWR增大，3.5 GHz陷波處的VSWR減小.因此，為保證這2個(gè)陷波頻段上的整體效果，令y=5.6 mm.

圖3　縫隙2的位置變化對(duì)陷波特性的影響

綜上得到雙陷波超寬帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，圖中用字母變量表示天線各部分結(jié)構(gòu)的尺寸，其中形如(A,B)的參數(shù)表示以(0,0)點(diǎn)為原點(diǎn)的各個(gè)圓弧形結(jié)構(gòu)的圓心坐標(biāo).天線最優(yōu)的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示.

圖4　具有雙陷波特性的超寬帶天線結(jié)構(gòu)圖

3　仿真與實(shí)測(cè)

對(duì)天線頻率覆蓋范圍內(nèi)的駐波比進(jìn)行仿真，得到仿真如圖5所示.圖5(a)中，天線的帶寬較寬，頻率覆蓋范圍達(dá)到3～16.9 GHz，具有陷波特性的天線在3.3～4.0 GHz和4.8～6.0 GHz頻段處產(chǎn)生陷波.在天線頻率覆蓋范圍內(nèi)，其駐波比由輸入阻抗決定.如圖5(b)所示，天線在3.5 GHz頻率點(diǎn)附近，輸入阻抗小(實(shí)部接近于0，虛部為0)，在5.5 GHz頻點(diǎn)附近，輸入阻抗值的實(shí)部達(dá)到最大值，虛部為0.因此天線在這2個(gè)頻率點(diǎn)及其附近有嚴(yán)重的阻抗失配，形成陷波且效果良好.

圖5　雙陷波超寬帶天線仿真圖

表面電流的分布情況如圖6所示.在3.5 GHz陷波處，表面電流主要分布在縫隙2附近；在5.5 GHz陷波處，表面電流主要分布在縫隙1附近.此時(shí)，縫隙相當(dāng)于一個(gè)諧振器，起到濾波功能，這使天線在3.5 GHz和5.5 GHz附近的輻射效率大大下降并實(shí)現(xiàn)陷波.

圖6　不同頻段上雙陷波超寬帶天線的表面電流分布仿真圖

綜上所述，仿真實(shí)驗(yàn)表明該天線陷波效果良好，可以有效地避免與WiMAX和WLAN通信信號(hào)產(chǎn)生干擾.該天線不僅可以作為超寬帶天線，而且可以在多個(gè)頻段內(nèi)接收、發(fā)送信息.

根據(jù)圖4和表1制作具有雙陷波特性的超寬帶天線.采用成本較低的FR4基板，基板厚度為1.6 mm，大小為26.4 mm×25 mm，其相對(duì)介電常數(shù)εr=4.3，損耗因數(shù)為0.02.微帶線寬度設(shè)為3 mm，其特性阻抗為50 Ω.并在天線測(cè)試暗室內(nèi)對(duì)超寬帶天線的性能進(jìn)行測(cè)試.

利用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363B得到該天線的駐波比實(shí)測(cè)值，并與仿真值進(jìn)行比較.結(jié)果表明雙陷波超寬帶天線的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，導(dǎo)致細(xì)微誤差的原因可能出現(xiàn)在加工過程中，如加工導(dǎo)致介質(zhì)板的介電常數(shù)改變和厚度不均勻、表面加工誤差等.圖7(a)表明天線的實(shí)測(cè)頻率覆蓋范圍為3.0～16.9 GHz，在3.3～4.0 GHz和4.8～6.0 GHz產(chǎn)生陷波，且其陷波效果比預(yù)計(jì)的更好.由圖7(b)可知陷波頻段內(nèi)天線的增益明顯下降，可以有效地抑制與WLAN和WiMAX通信信號(hào)產(chǎn)生干擾.

圖7　雙陷波超寬帶天線的實(shí)測(cè)參數(shù)

此外，圖8分別表示3個(gè)頻率點(diǎn)4.5 GHz，10 GHz，15 GHz上的E面和H面方向圖.可以看出，天線在H面上幾乎為全向輻射模式.而在E面，隨著頻率的增加，天線輻射信號(hào)出現(xiàn)一定的失真.因此，可以認(rèn)為該天線在超寬帶范圍內(nèi)具有良好的輻射特性.

圖8　雙陷波超寬帶天線實(shí)測(cè)方向圖

4　結(jié)束語

針對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)提出了一種新型小型化的具有雙陷波特性的超寬帶天線.采用Y型弧結(jié)構(gòu)饋電，同時(shí)利用輻射貼片切角和弧形接地板等設(shè)計(jì)手段將超寬帶天線頻率覆蓋范圍擴(kuò)展到3.0～16.9 GHz.采用刻蝕縫隙的方式，在3.1～3.7 GHz和5～5.8 GHz實(shí)現(xiàn)陷波特性，避免了WiMAX和WLAN通信信號(hào)的干擾.作為一種多頻段收發(fā)的超寬帶天線，滿足移動(dòng)終端多頻段通信的要求，達(dá)到了天線阻抗帶寬和方向性的使用要求，具有較強(qiáng)的實(shí)用性.

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Design and Analysis of a New Printed Ultra-wideband Antenna with Dual Band-notched Characteristics

LIN Hua,YU Liyang, MENG Fanliang, TAN Qi

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

This paper presents a new printed ultra-wideband(UWB) monopole antenna with band-notched characteristics. The antenna is fed by arc shaped Y structure, which is etched on an FR4 substrate with the size of 26.4 mm*25 mm. To broaden the bandwidth by the way of radiation patch cutting angle and arc treatment on the ground. The band-notched characteristic implemented by etching slots, and the band-notched frequency is adjustable with the total length of the slots. We test the antenna with an Agilent vector network analyzer E8363B. The result shows that the voltage standing wave ratio(VSWR) is less than 2 in the 3.0 GHz and 16.9 GHz range.The band-notched characteristic can be observed in the range of 3.3 to 4.0 GHz and 4.8 to 6.0 GHz. The simulation and experimental results show that the antenna has the advantages of simple structure, easy manufacture, good symmetry and wide bandwidth.

band-notched characteristics; radiation patterns; monopole antenna; radio frequency interference

10.13954/j.cnki.hdu.2016.05.002

2016-03-18

林滑(1992-)，女，浙江臺(tái)州人，碩士研究生，射頻技術(shù).通訊作者：余厲陽副教授，yuliyang@hdu.edu.cn.

TN821

A

1001-9146(2016)05-0006-05