史道玲,朱益志,王 靜

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

0 引言

隨著通信技術的發(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,美國聯(lián)邦通信委員會把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、汽車雷達、成像、監(jiān)控等領域[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)等無線領域應用也位于該頻段中,所以在設計超寬帶系統(tǒng)時需規(guī)避這類頻段,這就要求天線具有某些頻段的陷波特性。

陷波的實現(xiàn)形式有縫隙結構、寄生單元等,其原理是在天線上引入串聯(lián)或者并聯(lián)諧振結構,從而抑制諧振點的輻射或者將功率反射。通過設計縫隙長寬及位置,可以調(diào)整諧振頻率和強度達到最佳陷波效果[3-5]?；诖?設計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頻點輻射,在饋線上引入窄帶耦合線,將5.0 GHz、7.5 GHz頻點能量導通到地,實現(xiàn)了三陷波的特性。仿真測試結果表明,該天線尺寸20 mm×32 mm×0.5 mm,頻帶內(nèi)駐波<2,實現(xiàn)有效阻隔,并在6.0 GHz上達到增益2.1 dBi。天線總體具有良好的輻射和匹配特性,適用于構建各種超寬帶系統(tǒng),結構簡單、效果明顯。

1 天線結構及分析

超寬帶陷波天線的基片為0.5 mm厚的RO4350B材質(zhì),相對介電常數(shù)3.66,具體結構尺寸如圖1所示。天線輻射貼片由一個半徑8.7 mm的圓和一個17.4 mm×7.0 mm的矩形構成,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,無需額外匹配結構。

通過在天線輻射貼片上開槽實現(xiàn)第一個陷波,當開槽長度等于二分之一波長時,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為開槽長度,c為光速。

圖1 天線結構尺寸圖

圖2 3 GHz頻段陷波特性分析

圖2為輻射貼片上開槽的長度L對天線電壓駐波比的影響。由圖可見,開槽長度的變化僅對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,且隨著長度L的增加,陷波中心頻率減小。當L=13 mm時,陷波中心頻率在4.0 GHz左右;當L增大到17.0 mm時,陷波中心頻率減小至3.3 GHz左右。此時電場集中在槽線周圍,串聯(lián)諧振器達到了諧振狀態(tài)[7],使得天線在該頻點實現(xiàn)陷波抑制功能。其他頻點電場主要集中在導帶和饋電點附近,并不影響天線的超寬帶特性。

第二和第三個陷波點均采用耦合微帶實現(xiàn)。同樣,當耦合線等于二分之一波長時可產(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)計算獲得：

(3)

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

圖3為超寬帶陷波天線在不同時期的電場分布圖,其中圖(a)為正常輻射時的電流分布,圖(b)—(d)是三個陷波點的電流分布。由圖可見,在3.3 GHz陷波點上,電場集中在開槽處;5.0 GHz陷波點上,電場集中在長耦合線上;7.5 GHz陷波點上,電場集中在短耦合線上。三種電場分布均無法對外輻射,實現(xiàn)了陷波。

圖3 電場分布圖

圖3 (續(xù))

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

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)為對應的二維圖。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致的不對稱,這是由于開槽寄生引起的干擾。

圖4 輻射方向圖

2 測試及分析對比

圖5為超寬帶陷波天線的實物照片,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)絡分析儀測試天線駐波。

圖6為超寬帶三陷波天線電壓駐波比(VSWR)的仿真與實際測量結果對比圖。實測曲線與仿真曲線基本吻合,實測與仿真之間的細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 實物照片

圖6 駐波測試仿真對比

3 結束語

設計一種小型的UWB天線,通過輻射貼片和饋線上的縫隙及耦合線實現(xiàn)陷波特性,通過調(diào)節(jié)縫隙的長寬、耦合線的耦合度和長度,實現(xiàn)對陷波頻段的控制,從而避免WiMax、大容量微波通信頻段和WLAN頻段的干擾。測試結果顯示,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、結構簡單、設計快速、易于PCB集成,可作為短距離無線通信中UWB天線的解決方案。