一種基于微帶槽天線的帶阻性UWB天線的研究

曹瓊瓊， 單志勇

(東華大學(xué) 信息與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

0 引言

隨著無線通信的快速發(fā)展，對(duì)無線通信的容量以及傳輸速率提出了越來越高的要求。超寬帶(UWB,Ultra-wide Band)就是一種能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間高速互操作的無線通信技術(shù)。它使組建高速無線個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN)，實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)[1]和個(gè)人局域網(wǎng)無線互聯(lián)接入成為可能。隨著UWB技術(shù)的發(fā)展，UWB天線的設(shè)計(jì)和研究成為天線與電波傳播領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)[2]。

一般來說，微帶天線[3]是窄帶天線，實(shí)際上可以采用多回路、分層結(jié)構(gòu)、刻槽等技術(shù)展寬微帶天線的頻帶寬度。文中所設(shè)計(jì)的天線是帶有開槽的雙貼片微帶天線，它比單貼片天線更具優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樗斐鲆欢魏荛L(zhǎng)的輻射電流通路，從而產(chǎn)生很多個(gè)頻率較低的諧振頻率點(diǎn)，使天線的工作帶寬變得更寬，從而達(dá)到 UWB天線的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；再加上該天線采用了漸變結(jié)構(gòu)，與傳輸線達(dá)到良好的調(diào)配效果，讓S11參數(shù)在很大的一段頻率范圍內(nèi)小于-10 dB。所以，它能比單貼片天線的帶寬大上10倍以上。

1 具有帶阻性能的UWB天線的模型

這里研究的天線把著眼點(diǎn)放在整個(gè) 3.1～10.6 GHz頻段上[4],選用了一種微帶饋電的小型平面超寬帶天線。該天線類似一般的微帶槽天線[5-8],為了獲得超寬帶的頻率特性，天線的微帶饋電單元采用了漸變結(jié)構(gòu)的圓弧形調(diào)諧枝節(jié)，金屬地板則設(shè)計(jì)成對(duì)稱的多邊形結(jié)構(gòu)。該天線是建立在介電常數(shù)為4.4的Arlon CLTE/LC (tm)的介質(zhì)基板上，因?yàn)閃=λ/2，λ=c/f，f至少應(yīng)在3.1～10.6 GHz的范圍內(nèi)取值，取f=300/48=6.25 GHz,恰好近似等于該頻段的中心頻率 6.85 GHz，則W=24 mm,L=W=24 mm，h＜＜λ取為 1.5 mm。所以大致確定了該天線的大體尺寸為（W=24 mm，L=24 mm，h=1.5 mm）。由此，選用了如圖1所示的天線結(jié)構(gòu)。天線制作在相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1.5 mm，損耗角正切tanδ≤0.001的聚四氟乙烯基板上。

該天線采用了較為光滑的圓弧形漸變結(jié)構(gòu)，使得負(fù)載阻抗能夠在一個(gè)比較寬的頻帶上與饋線的特性阻抗[9]相等，處于良好的調(diào)配狀態(tài)。此外，在它的中心位置還開了一小段圓弧狀的阻帶縫隙，能夠比較有效地阻隔民用頻帶范圍（WLAN，5.15～5.25 GHz，5.25～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz這 3個(gè)100 MHz頻段），避免了兩者之間的干擾。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意

圖1中的參數(shù)：L=24 mm，W=24 mm，h=1.5 mm，Wf=3 mm，e=6.5 mm，d=1 mm，L2=2 mm，r1=6 mm，W2=12 mm，r3=3 mm，r4=3 mm，r5=2.5 mm，s= 0.15 mm，L1=5 mm，W1=22 mm，r2=3 mm。

圖2 用 HFSS軟件構(gòu)建的天線模型

2 仿真結(jié)果

2.1 S11參數(shù)頻響特性曲線

如圖3所示，在2.9～10.81 GHz范圍，回?fù)pS11滿足超寬帶天線的基本要求[10]（-10 dB以下）。同時(shí)，該天線具有一定的阻帶，能夠?yàn)V除民用頻段范圍，有效的防止兩段頻段之間的干擾。這可以通過調(diào)節(jié)天線前端那個(gè)阻帶縫的位置和大小來調(diào)節(jié)所要濾除的頻段范圍。在目前設(shè)定的參數(shù)下，它濾除了8.90～9.45 GHz這一小段約0.55 GHz寬度的頻段（從圖3中可以看出實(shí)際上要超過這個(gè)數(shù)），雖然不滿足規(guī)定的要求，但足以說明它完全具備了濾除民用頻段WLAN包含在超寬帶UWB范圍內(nèi)的那一小段頻段的能力（3段合在一起的頻段范圍在5.15～5.825 GHz，帶寬等于0.675 GHz）。此外，其在超寬帶頻帶范圍并沒有出現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)的頻帶存在。

圖3 回?fù)pS11參數(shù)頻響特性曲線

2.2 Z阻抗參數(shù)頻響特性曲線

如圖4所示，在UWB的頻段范圍內(nèi)，該天線的負(fù)載電阻RL基本上在50 Ω左右進(jìn)行徘徊變化，該天線的Z阻抗參數(shù)頻響特性曲線在超寬帶所要求的頻段上變化顯得幅值擺動(dòng)幅度較小，所以它的調(diào)諧度更好。同理，該天線的負(fù)載電抗XL也基本上在0 Ω左右進(jìn)行徘徊變化。從而看出該天線總體上處于諧振狀態(tài)，從而使其能與饋線的特性阻抗Zo起到良好的調(diào)配作用。

圖4 Z阻抗參數(shù)頻響特性曲線

2.3 極化態(tài)軸比AR參數(shù)頻響特性曲線

該天線具有足夠大的軸比AR，如圖7所示，說明此天線的極化態(tài)屬于線極化波，符合 UWB天線的極化形式要求，且該天線輻射與接收線極化來波的能力更強(qiáng)。在作為發(fā)射天線時(shí)，它能完全發(fā)射線極化的電磁波，而輻射圓極化態(tài)或者橢圓極化態(tài)的電磁波則要損失一半的功率；在用作接收天線時(shí)，同理可知，它能完全接收線極化態(tài)的電磁波，而在接收?qǐng)A極化態(tài)或者橢圓極化態(tài)的電磁波時(shí)則要損失一半的功率。此外，可以發(fā)現(xiàn)：隨著頻率f的變小，天線的極化性能越好，即對(duì)線極化來波的接收或輻射作用效果越好，這就有效的防止了橢圓或圓極化來波對(duì)其進(jìn)行的電磁干擾作用。

圖5 極化態(tài)軸比AR參數(shù)頻響特性曲線

2.4 駐波比VSWR參數(shù)頻響特性曲線

如圖6所示,該天線在9.51～10.57 GHz具有一定的阻帶。因?yàn)閺亩炀€的駐波比頻響特性曲線與天線的負(fù)載反射系數(shù) S11頻響特性曲線實(shí)際上是等同的，ρ的取值范圍為1-+∞，其中ρ越接近 1，天線負(fù)載阻抗與饋線特性阻抗處于良好的匹配狀態(tài)，此時(shí)微帶饋電線工作于接近行波狀態(tài)，來波的功率能夠完全或者盡可能大的被天線負(fù)載所吸收，從而信號(hào)功率能夠最大限度的被天線輻射出去或者接收進(jìn)來。

圖6 駐波比VSWR參數(shù)頻響特性曲線

2.5 輻射方向圖

通過對(duì)圖7的觀察可知，該天線的波瓣圖變化不很明顯，隨著頻率f的增加，只是天線的增益在急劇增加，這是由于輻射頻率越高，輻射強(qiáng)度越強(qiáng)的緣故；波瓣圖方面，E面（即θ方向）的波瓣只是變得越來越窄而已，只有H面（即φ方向）的波瓣形狀在7～9 GHz之間有比較明顯的變化，波瓣的上半部分有向下半部分壓縮的趨勢(shì)。

圖7 具有帶阻性能的UWB天線的方向

3 結(jié)語

通過高頻電磁仿真軟件（HFSS）進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該天線對(duì)特定的民用頻率范圍有一定的濾除作用，阻抗帶寬為7.5 GHz，即電壓駐波比VSWR在3.1～10.6 GHz頻段上小于2，具有良好的方向圖特性。此外，調(diào)諧性能和輻射頻率的增高是以犧牲軸比 AR為代價(jià)的，這勢(shì)必會(huì)帶來一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的問題：天線的帶寬逐漸增寬，但天線的極化軸比卻在不斷的減小，當(dāng)達(dá)到一定程度的時(shí)候，必將避免不了橢圓或圓極化波對(duì)其產(chǎn)生的干擾作用。隨著時(shí)代的發(fā)展，如何尋求帶寬增大與軸比卻不斷減小的事實(shí)之間一種合適的解決方案，勢(shì)必日益會(huì)提升到天線及射頻工作者所要研究問題的日程中來。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能良好,是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的無線電工作手段之一。

[1] 張智宏，顧軍，王桂華.WLAN 通信技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].通信技術(shù),2011, 44(10):88-90.

[2] MI1LER E K.Time-Domain Measurements in Electromagnetics[J].Van Nostrand Reinhold，1986,25(03):26-27.

[3] 魏文元，宮德明，陳必森.天線原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1985.

[4] COLLIN F C. Revision of Part 15 of the Commission’s Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems[J].Prentice Hall ,2005,17(05):36-39.

[5] DING X， JACOB A F. CPW-fed Slot Antenna with Wide Radiating Apertures[C]//IEEE.IEEE Proc. Microw.Antennas Propag.USA:IEEE,2008:625-628,633.

[6] SOLIMAN E A，BREBELS S，BEYNE E，et al. CPW-fed Cusp Antenna[J]. Microwave Opt. Technol. Lett.2009，22(04):288-290.

[7] MIAO M，OOI B L，KOOI P S. Broadband CPW-fed Wide Slot Antenna[J]. Microwave Opt. Technol. Lett.,2006，25(03):206-211.

[8] BHOBE A U，HOLLOWAY C L，PIKET-MAY M. CPW-fed Wide-band Hybrid Slot Antenna[C]//IEEE. Proc. IEEE Antennas Propag.USA:IEEE,2008:636-639.

[9] 王福謙.偏軸傳輸線中的 TEM波及其特性阻抗[J].通信技術(shù).2011,44（10）：10-12.

[10] MCLEAN J S， FOLTZ H， SUTTON R. Pattern Descriptors for UWB Antennas[J]. IEEE Transactions and Propagation，2005，53(0l): 553-559.