基于SRR結(jié)構(gòu)具有陷波特性的超寬帶天線

(空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院，西安 710077)

1 引 言

超寬帶(UWB)技術(shù)是無線通信領(lǐng)域中極具競爭力和發(fā)展前景的熱門技術(shù)之一。根據(jù)2002年美國FCC的規(guī)定以及2004年IEEE 802.15.3a的建議,超寬帶通信的頻段確定為3.1～10.6 GHz。近兩年來,日本和歐洲各國又相繼重新劃分了超寬帶通信的頻段:2006年下半年,日本政府開放的超寬帶無線系統(tǒng)的頻段為3.4～4.8 GHz和7.25～10.25 GHz;2007年3月,歐盟正式公布超寬帶無線技術(shù)頻段為3.4～4.8 GHz和6～8.5 GHz,歐盟成員國須在此頻段范圍內(nèi)使用UWB設(shè)備,并規(guī)定低頻段的最終使用期限至2010年10月31日,上述設(shè)備須在規(guī)定期限前轉(zhuǎn)到6～8.5 GHz頻段[1]。

可見,隨著超寬帶通信頻段的重新劃分,原有的3.1～10.6 GHz頻段與WiMax增補(bǔ)頻段(基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn))、5.15～5.825 GHz頻段無線局域網(wǎng)(WLAN)重疊的頻帶將不能使用。為了降低系統(tǒng)之間的相互干擾，提高頻譜利用率,可以采取不同的方法,包括采用各種信號處理技術(shù)提高頻譜利用效率,或用多個不同頻段、空間上隔開一定距離的收發(fā)天線進(jìn)行分集等。最簡單、直接的方法還是使超寬帶天線在相應(yīng)的頻段內(nèi)具有較大的反射系數(shù)、出現(xiàn)“陷波”(帶阻)特性而呈現(xiàn)收發(fā)“鈍態(tài)”。因此,具有陷波功能的小型平面超寬帶天線已經(jīng)成為近年來的一個熱門研究課題。

陷波特性超寬帶天線的概念最早是由美國工程師Schantz H G提出的,通過在橢圓偶極子天線上制作尖劈狀或圓環(huán)形開槽[2],調(diào)整槽結(jié)構(gòu)的長度,使之等于需要抑制的中心頻率對應(yīng)波長的四分之一或一半,成為“四分之一波長諧振結(jié)構(gòu)”或“半波長諧振結(jié)構(gòu)”,即可在相應(yīng)的中心頻率上引入陷波特性。在此之后,越來越多具有陷波特性的天線被研究，實(shí)現(xiàn)方法也多種多樣。在貼片上或底板上開槽應(yīng)用最廣泛，槽的形狀也各式各樣，有直的、三角形的、C形的、H形的、U形的，還有π形的[3-10]，不同形狀的槽使天線具有不同的陷波特性，目的都是為了避免通信干擾。

最早，SRR(Split Ring Resonator)結(jié)構(gòu)是Pendry等人提出的，用來實(shí)現(xiàn)雙負(fù)媒質(zhì)的等效負(fù)磁導(dǎo)率[11]，后來， Yang X等人根據(jù)Marques等人的理論[12-13]，提出了一種基于SRR結(jié)構(gòu)的超寬帶天線[14]，其工作頻段為3～11 GHz。本文利用U型槽加載技術(shù)對該該天線進(jìn)行改進(jìn)，并且將原來的微帶線饋電形式改為共面波導(dǎo)饋電形式，加工實(shí)現(xiàn)了一種具有陷波特性、能夠屏蔽無線局域網(wǎng)信號干擾的超寬帶天線，在現(xiàn)代通信中具有良好的應(yīng)用前景。

2 天線結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

Yang X等人提出的基于SRR結(jié)構(gòu)的超寬帶天線，其饋電形式為微帶饋電，本文采用的是共面波導(dǎo)饋電。為獲得50 Ω特性阻抗的共面波導(dǎo)，運(yùn)用TXline阻抗運(yùn)算軟件計(jì)算得饋線的具體尺寸為：中心導(dǎo)帶寬度g1設(shè)置為2.08 mm,導(dǎo)帶與地間的縫隙g2設(shè)計(jì)為0.2 mm。天線末端焊接SMA接頭，并連接同軸電纜進(jìn)行饋電。

改進(jìn)后的天線的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，所有的結(jié)構(gòu)都鑲嵌在厚度為1.5 mm、相對介電常數(shù)為4.2的聚酰亞胺雙面覆銅板上，介質(zhì)板寬度W=40 mm，長度L=30 mm。在基板中心鑲嵌一個SRR結(jié)構(gòu)——天線的輻射單元，其由兩個同圓心的開口環(huán)組成(小環(huán)內(nèi)徑r1=2.2 mm，寬度d1=3.7 mm，兩環(huán)之間縫隙d2=1.44 mm，大環(huán)寬度d3=6.32 mm，兩環(huán)開口寬度slot=0.27 mm)。在該SRR結(jié)構(gòu)上加載了一個U型槽(wx和ly分別為縫隙在X、Y方向上的長度，sx和sy分別為縫隙在X、Y方向上的寬度)，調(diào)整其結(jié)構(gòu)參數(shù)可改變天線的阻帶性能。因此，本文主要考察U型槽的尺寸。

圖1 改進(jìn)后天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic representation of improved antenna

根據(jù)縫隙總長度Ls的表達(dá)式為

Ls=wx+ly-sx-sy

(1)

在天線上開U型槽的方法相當(dāng)于在天線上加載了一個縫隙諧振器形成陷波功能，所加載的縫隙長度為陷波中心頻率介質(zhì)波長的一半，其近似公式為[15-16]

(2)

式中，c為真空中的光速，fnotch為陷波的中心頻率，εr為介質(zhì)相對介電常數(shù)。綜合式(1)～(2)可計(jì)算得到U型縫隙的初始尺寸：wx=5 mm，ly=10 mm，sx=1.1 mm，sy=0.6 mm。

衡量一個天線性能的重要指標(biāo)是天線饋電端口的電壓駐波比。定義如下：在不匹配時，饋線上同時存在入射波和反射波，在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅Vmax，形成波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方，電壓振幅相減為最小電壓振幅度Vmin，形成波節(jié)。波腹電壓幅度與波節(jié)電壓幅之比稱為電壓駐波比，記為

(3)

式中，Zl、Z0分別為傳輸線終端負(fù)載阻抗和特性阻抗。當(dāng)終端負(fù)載阻抗Zl和特性阻抗Z0越接近，反射系數(shù)R越小，電壓駐波比VSWR越接近于1，匹配也就越好。在工程中，通常取VSWR<2為衡量標(biāo)準(zhǔn)，而“陷波”功能則要求在需要抑制的頻帶范圍內(nèi)VSWR>2。

根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，為了使天線的阻斷頻帶與無線局域網(wǎng)頻段(5.15～5.825 GHz)接近，運(yùn)用ANSOFT HFSS軟件對wx、ly、sx、sy的初始尺寸進(jìn)行仿真優(yōu)化，以調(diào)節(jié)阻斷頻帶寬度和中心頻點(diǎn)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有良好阻帶特性的超寬帶天線。

經(jīng)過軟件優(yōu)化，U型槽的尺寸為：wx=4 mm，ly=11 mm，sx=1.3 mm，sy=0.5 mm。

3 仿真和測試結(jié)果

運(yùn)用ANSOFT HFSS軟件進(jìn)行仿真，分別優(yōu)化U型槽各參數(shù)后(每一個參數(shù)仿真過程中，其它參數(shù)已設(shè)為最佳值)，當(dāng)各參數(shù)同時取最佳值時，最終得到的VSWR頻率特性如圖2所示，天線在3～11 GHz的頻帶范圍內(nèi)VSWR<2，其中，在4.5～5.82 GHz的頻帶范圍內(nèi)VSWR>2，實(shí)現(xiàn)了在該頻段內(nèi)的帶阻特性，而改進(jìn)前的天線在3～11 GHz的頻帶范圍內(nèi)VSWR<2，無陷波特性。

圖2 駐波比VSWR隨頻率變化曲線Fig.2 VSWR vs. frequency

根據(jù)上述優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)尺寸，對圖1所示的天線進(jìn)行了加工(見圖3)。采用Agilent-N5230A矢網(wǎng)儀對該改進(jìn)后的天線的駐波比隨頻率變化曲線進(jìn)行了測試，結(jié)果見圖2，天線在3～11 GHz的頻帶范圍內(nèi)VSWR<2，其中，在4.4～5.7 GHz的頻帶范圍內(nèi)VSWR>2。可見，測試結(jié)果較仿真結(jié)果阻帶向低頻稍有偏移，結(jié)果比較吻合。

阻抗帶寬只是衡量天線帶寬特性的指標(biāo)之一，還必須考察天線是否具有穩(wěn)定的方向圖帶寬。圖4～6分別給出了天線在特定頻點(diǎn)處的xy、xz、yz平面的增益方向圖，可以看出，該天線在低頻端具有水平全向輻射性能；而隨著頻率的升高，天線的最大輻射方向向兩側(cè)偏移，出現(xiàn)波束上翹現(xiàn)象；在高頻端，天線的副瓣增多，最大輻射方向出現(xiàn)在天線的兩側(cè)?？傊撎炀€在水平面內(nèi)具有比較好的全向性。

圖4 天線的xz平面的增益方向圖Fig.4 xz plane beam pattern of antenna

圖5 天線的yz平面的增益方向圖Fig.5 yz plane beam pattern of antenna

圖6 天線的xy平面的方向圖Fig.6 xy plane beam pattern of antenna

圖7所示的是天線的增益特性。從圖中可見，天線在整個頻段內(nèi)基本具有比較平坦的增益特性，平均增益為4 dB左右；在4.4～5.7 GHz頻段內(nèi)，增益顯著下降至-15 dB左右，較其它頻段下降了19 dB，表明天線具有明顯的陷波功能。

圖7 改進(jìn)后天線的增益隨頻率變化曲線Fig.7 Gain vs. frequency of improved antenna

4 結(jié) 論

U型槽加載使天線具有陷波特性，通過調(diào)整U型槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以改變天線的阻帶中心頻率及帶寬。本文采用U型槽加載技術(shù)，改進(jìn)了Yang X等人提出的SRR結(jié)構(gòu)的超寬帶天線，制作了一副具有陷波結(jié)構(gòu)的超寬帶天線。仿真及測試結(jié)果表明：改進(jìn)前，天線的工作頻段為3～11 GHz，無陷波特性；改進(jìn)后，天線在4.4～5.7 GHz頻段具有良好的陷波特性,并且在其它頻段具有良好的輻射性能，達(dá)到了屏蔽無線局域網(wǎng)信號干擾的目的，測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。該天線具有可調(diào)的工作頻段，并且具有良好的頻帶抑制特性和輻射特性，適合于復(fù)雜環(huán)境下的便攜式無線通信系統(tǒng)。

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