具有帶阻特性的寬縫隙超寬帶天線研究

特尼格爾 張 寧 邱景輝 林 澍 魯國(guó)林

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1. 引 言

近幾年，隨著民用超寬帶(UWB)通信快速的發(fā)展，對(duì)應(yīng)用于短距離無(wú)線通信系統(tǒng)中的天線提出了更高的要求，不僅要求天線尺寸小、剖面低、價(jià)格便宜，易于加工并可集成到無(wú)線電設(shè)備內(nèi)部，同時(shí)，還要求天線的阻抗帶寬和方向圖帶寬足夠?qū)?，以便覆蓋整個(gè)UWB頻段，因而，如何設(shè)計(jì)出滿足短距離無(wú)線通信要求的UWB天線成為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要的一環(huán)。由于平面寬縫隙天線具有全向輻射方向圖，中等增益，可以應(yīng)用多種匹配技術(shù)獲得足夠?qū)挼淖杩箮?，是最具吸引力的UWB候選天線之一。

超寬帶天線技術(shù)作為超寬帶通信系統(tǒng)的重要組成部分得到了人們?cè)絹?lái)越多的重視。針對(duì)小型化天線和寬頻帶天線，國(guó)內(nèi)外展開(kāi)了大量深入的研究，提出了許多方法，取得了一定的研究成果。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)規(guī)定UWB信號(hào)的頻段為3.1 GHz到10.6 GHz。這個(gè)通信頻段中還存在劃分給其他通信系統(tǒng)的頻段，如5.15 GHz到5.35 GHz的IEEE802.11a和5.75 GHz到5.85 GHz的HiperLAN/2。針對(duì)UWB通信系統(tǒng)的這一特殊要求，研究了具有帶阻特性的矩形寬縫隙超寬帶天線。

2. 寬縫隙天線理論分析

縫隙天線應(yīng)用廣泛，典型的縫隙天線其縫隙寬度比縫隙長(zhǎng)度小很多，稱(chēng)為窄縫；當(dāng)縫隙寬度與縫隙長(zhǎng)度可比擬時(shí)，稱(chēng)為寬縫，它具有頻帶寬、對(duì)掩模制版公差要求低的優(yōu)點(diǎn)[1]。

2.1 巴比涅原理

在天線工程應(yīng)用中，常利用巴比涅原理從已知天線的輻射特性導(dǎo)出其互補(bǔ)天線的輻射特性，縫隙天線問(wèn)題可以采用巴比涅原理來(lái)求解。通常，其互補(bǔ)天線的輻射場(chǎng)一般是已知的，用等效互補(bǔ)天線在空間某點(diǎn)的磁場(chǎng)乘以該點(diǎn)的介質(zhì)波阻抗可以得到縫隙天線在該點(diǎn)的電場(chǎng)[2]。

當(dāng)理想導(dǎo)電(導(dǎo)磁)屏尺寸有限時(shí)，其邊緣效應(yīng)將會(huì)影響利用巴比涅原理求解所得的結(jié)果，無(wú)法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的寬縫隙天線進(jìn)行精確求解，因此，這里利用仿真及實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)研究天線的輻射特性。

2.2 寬縫隙天線的饋電方式

對(duì)寬縫隙天線饋電可采用微帶線饋電或者共面波導(dǎo)饋電。對(duì)于UWB應(yīng)用，不容易實(shí)現(xiàn)較寬的阻抗帶寬。

共面波導(dǎo)由中間的饋電的帶狀導(dǎo)體和兩邊的接地半平面金屬組成，制作在電介質(zhì)的上表面，其特性阻抗是由中間導(dǎo)帶寬度和縫隙之比決定，可以自由設(shè)計(jì)其尺寸，它可使天線的帶寬明顯地增加。把共面波導(dǎo)用于矩形縫隙天線時(shí)，能使其帶寬達(dá)到34%[3]。

2.3 矩形寬縫隙UWB天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

2.3.1 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示(單位：mm)。該天線采用矩形縫隙輻射，末端帶有扇形調(diào)諧枝節(jié)的共面波導(dǎo)饋電，扇形調(diào)諧枝節(jié)能展寬天線的頻帶[4-8]，并將共面波導(dǎo)中心導(dǎo)帶設(shè)計(jì)成階梯狀，以改善天線的阻抗匹配特性，共面波導(dǎo)特性阻抗50 Ω。選用相對(duì)介電常數(shù)4.4的FR4作為基片。天線的尺寸為0.44λ0×30λ0(λ0為最低工作頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng))。

圖1 矩形寬縫隙UWB天線結(jié)構(gòu)圖

2.3.2 天線的仿真分析

取寬縫隙的寬度約為0.1λ0，長(zhǎng)度為0.25λ0.取扇形半徑初值為0.1λ0，張角θ為90°，這樣整個(gè)縫隙邊緣的總長(zhǎng)度接近于λ0，取共面波導(dǎo)長(zhǎng)度為0.25λ0。在確定了天線的初始尺寸參數(shù)之后，利用CST Microwave Studio進(jìn)行仿真，分析尺寸參數(shù)變化對(duì)天線阻抗特性的影響。

2.3.3 階梯過(guò)渡段對(duì)回波損耗的影響

在共面波導(dǎo)中心導(dǎo)帶與扇形枝節(jié)之間使用階梯過(guò)渡，可以展寬工作帶寬，改善天線的阻抗匹配特性。如圖2(a)，無(wú)階梯過(guò)渡時(shí)，4～8 GHz頻段匹配特性較差，頻帶寬度并不能覆蓋整個(gè)UWB頻段，有階梯過(guò)渡時(shí)，回波損耗小于-10 dB的頻率范圍為2.4～11 GHz，達(dá)到了展寬頻帶改善阻抗匹配的目的。如圖2(b)，當(dāng)階梯端長(zhǎng)度達(dá)到7 mm時(shí)，匹配較好，可以使回波損耗在整個(gè)工作頻帶內(nèi)均小于-10 dB.

2.3.4 縫隙尺寸對(duì)回波損耗的影響

縫隙的寬度和長(zhǎng)度是影響天線的阻抗匹配特性的主要參數(shù)，如圖3(a)，隨著W的增大，絕對(duì)帶寬變寬，整個(gè)通帶向低頻端移動(dòng)，當(dāng)寬度為24 mm或26 mm時(shí)，其4 GHz以下及7～10 GHz頻段匹配特性較差，當(dāng)寬度是28 mm時(shí)，整個(gè)工作頻帶內(nèi)回波損耗均小于-10 dB。如圖3(b)，縫隙長(zhǎng)度為10 mm時(shí)，阻抗帶寬范圍為7～10 GHz，而長(zhǎng)度為20 mm時(shí)，雖然阻抗帶寬得到了極大的展寬，但是5～7 GHz范圍的匹配特性較差，當(dāng)L=15 mm時(shí)能夠獲得最大的阻抗帶寬，2.4 ～11 GHz范圍內(nèi)回波損耗小于-10 dB。

(a) 有無(wú)價(jià)梯過(guò)渡

(b) 階梯過(guò)渡段長(zhǎng)度變化圖2 階梯過(guò)渡段對(duì)回波損耗的影響

(a) 寬度變化

(b) 長(zhǎng)度變化圖3 縫隙尺寸變化對(duì)回波損耗的影響

(a) 半徑變化

(b) 張角變化圖4 扇形尺寸變化對(duì)回波損耗的影響

2.3.5 扇形尺寸變化對(duì)回波損耗的影響

在矩形寬縫隙中采用扇形枝節(jié)饋電可以獲得較寬的阻抗帶寬，扇形半徑及張角是影響天線阻抗匹配的重要參數(shù)。如圖4(a)，當(dāng)R=8 mm時(shí)，天線具有較好的高頻特性，但不能滿足UWB對(duì)頻帶寬度的限制，當(dāng)R=10 mm時(shí)，天線獲得了8.6 GHz的阻抗帶寬，覆蓋了整個(gè)UWB通信頻段，而R=12 mm時(shí)，高頻及低頻特性均變差。扇形張角2θ對(duì)枝節(jié)的電抗具有決定性的作用，當(dāng)2θ在一定范圍變化時(shí)，扇形枝節(jié)的電抗變化趨于平緩并接近于零，適當(dāng)選取扇形枝節(jié)的張角及半徑，可以極大地展寬天線的阻抗帶寬。如圖4(b)，θ越大，高頻特性越好，當(dāng)θ達(dá)到50°時(shí)，阻抗匹配特性較好，在整個(gè)UWB頻段內(nèi)回波損耗小于-10 dB，而當(dāng)θ繼續(xù)增大到60°時(shí)，5～6 GHz頻段的匹配特性變差，當(dāng)θ超過(guò)60°時(shí)，天線的阻抗匹配特性急劇變差，不再具有超寬帶特性。

通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)整個(gè)縫隙邊緣的長(zhǎng)度接近于λ0時(shí)，即2(W+L+R)+θ×R≈λ0(θ取弧度)，天線的阻抗匹配特性最佳。

3. 具有帶阻特性的寬縫隙UWB天線實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 天線結(jié)構(gòu)

在矩形寬縫隙UWB天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用開(kāi)路枝節(jié)實(shí)現(xiàn)帶阻特性，即在矩形寬縫隙邊緣插入對(duì)稱(chēng)的兩段λg/4開(kāi)路枝節(jié)(λg為阻帶頻率對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng))，其枝節(jié)的長(zhǎng)度與寬度滿足

(1)

式中：L表示開(kāi)路枝節(jié)的長(zhǎng)度；W表示開(kāi)路枝節(jié)的寬度；λg可以通過(guò)式(2)計(jì)算得到。

(2)

式(1)僅給出了開(kāi)路枝節(jié)長(zhǎng)寬滿足的關(guān)系式，但考慮到較寬的枝節(jié)寬度將會(huì)影響天線的輻射特性，故應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況取值，既不影響天線的輻射方向圖，又能在指定的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶阻特性，天線結(jié)構(gòu)如圖5所示(單位：mm)。

圖5 帶阻矩形寬縫隙UWB天線結(jié)構(gòu)

3.2 天線仿真及實(shí)驗(yàn)分析

3.2.1 天線的阻抗匹配特性分析

開(kāi)路線在縫隙邊緣的位置對(duì)阻帶寬度有直接的影響，圖6給出了Ln約為8 mm，Wn為0.4 mm時(shí)回波損耗隨參數(shù)Sn變化的曲線。Sn越大阻帶寬度越大，當(dāng)Sn從1變化到0.2的過(guò)程中，阻帶寬度從1.4 GHz減小到880 MHz。圖7給出了開(kāi)路線長(zhǎng)度變化對(duì)天線回波損耗的影響，其長(zhǎng)度越長(zhǎng)，阻帶中心頻率點(diǎn)越低，當(dāng)Ln=8 mm時(shí)，阻帶中心頻點(diǎn)約為5.5 GHz，阻帶5.0～5.82 GHz，此時(shí)Sn=0.2 mm.

圖6 開(kāi)路線位置變化對(duì)回波損耗的影響

圖7 開(kāi)路線長(zhǎng)度變化對(duì)回波損耗的影響

圖8為帶阻天線的測(cè)量與仿真的回波損耗曲線，仿真與測(cè)量曲線基本吻合，在3.1～10.6 GHz的頻帶范圍內(nèi)回波損耗基本小于-10 dB，測(cè)量的阻帶中心頻率為5.52 GHz，阻帶范圍4.5～6 GHz。

圖8 測(cè)量與仿真駐波曲線

3.2.2 天線的輻射特性分析

圖9為實(shí)測(cè)的有阻帶和無(wú)阻帶超寬帶天線的增益曲線和有阻帶增益的仿真曲線。具有帶阻特性的超寬帶天線的增益在阻帶中心頻點(diǎn)達(dá)到-10.6 dB，其它頻帶內(nèi)增益相對(duì)平穩(wěn)(2.1～4.3 dB)。

圖10為天線在3 GHz時(shí)YZ面及XZ面的輻射方向圖，其中，實(shí)踐代表仿真曲線，實(shí)線加圓點(diǎn)代表測(cè)量曲線，仿真和實(shí)測(cè)表明當(dāng)頻率為3 GHz及7 GHz時(shí)，天線具有近似水平全向的方向圖，當(dāng)頻率升高到10 GHz時(shí)，XZ面輻射方向圖呈橢圓形，不圓度接近20 dB，YZ面不再是∞型，變成扭曲的花瓣形。由圖10可見(jiàn)，主輻射方向波瓣匹配較好，達(dá)到預(yù)期的效果，副瓣存在一定的誤差，主要是由于有

圖9 天線的增益變化曲線

圖10 3 GHz時(shí)天線輻射方向圖

限距離引起的幅度與相位誤差；周?chē)矬w的反射干擾；天線間的多次反射引入的誤差；天線之間不能完全對(duì)準(zhǔn)引入的對(duì)準(zhǔn)誤差；天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不能完全匹配引入的誤差。這些誤差的存在并不影響天線的整體性能，是在允許的范圍之內(nèi)的。

3.2.3 天線時(shí)域波形特性分析

圖11為歸一化的遠(yuǎn)場(chǎng)探針信號(hào)波形(方位角為零度)及高斯一次微分脈沖信號(hào)，從直觀上看，遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)與一階高斯脈沖信號(hào)波形相似。同時(shí)計(jì)算得到天線不同方位角的波形保真系數(shù)均保持在0.8以上，說(shuō)明天線具有良好的脈沖波形保真特性。

圖11 高斯一階微分及探針信號(hào)

4. 結(jié) 論

本論文研究了超寬帶天線的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)傳統(tǒng)寬帶天線及新型超寬帶天線進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種矩形寬縫隙結(jié)構(gòu)的超寬帶天線，采用扇形枝節(jié)共面波導(dǎo)饋電，分析了矩形寬縫隙UWB天線主要參數(shù)對(duì)其回波損耗的影響，同時(shí)，為避免與現(xiàn)存系統(tǒng)可能存在的干擾，研制了具有帶阻特性的矩形寬縫隙UWB天線，通過(guò)加載λg/4開(kāi)路枝節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)了超寬帶天線的帶阻特性，并測(cè)量了其回波損耗、增益、輻射方向。結(jié)果表明：天線具有超過(guò)125%的阻抗帶寬、穩(wěn)定的增益、具有良好的波形保真特性，實(shí)現(xiàn)了5 GHz頻段內(nèi)的帶阻特性。同時(shí)，該天線還具有小尺寸、低成本及易于集成的優(yōu)點(diǎn)，可以作為短距離無(wú)線通信系統(tǒng)的收發(fā)天線。

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