一種雙陷波超寬帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)與研究

施榮華 徐 曦 董 健

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410075)

1 引言

自從美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FCC)將超寬帶(UltraWide Band, UWB)應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域[1]，工作頻率為3.1~10.6 GHz的通信系統(tǒng)得到了大力的發(fā)展。在超寬帶系統(tǒng)中，超寬帶天線(xiàn)[2-5]是重要的組成部分和研究熱點(diǎn)。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，超寬帶天線(xiàn)要求在極寬的頻段內(nèi)有良好的全向輻射特性，并能夠高效地進(jìn)行輻射。然而，超寬帶通信系統(tǒng)的工作頻段覆蓋了其它的窄帶通信系統(tǒng)頻段，如 3.3~3.6 GHz的無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)(WiMax)頻段和5.1~5.9 GHz的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)頻段。這些窄帶通信系統(tǒng)的存在會(huì)對(duì)超寬帶天線(xiàn)的工作產(chǎn)生一定的干擾。為了抑制這些干擾，可以在超寬帶天線(xiàn)的基礎(chǔ)上引入一種陷波結(jié)構(gòu)，使天線(xiàn)成為具有頻帶阻隔效應(yīng)的陷波天線(xiàn)，這種天線(xiàn)最早由美國(guó)的 Schantz等人[6]在 2003年提出。

具有陷波特性的超寬帶天線(xiàn)能夠通過(guò)多種不同的結(jié)構(gòu)加以實(shí)現(xiàn)，如在天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中引入寄生單元[7,8]，采用分形結(jié)構(gòu)[9,10]，加入調(diào)諧枝節(jié)[11,12]，開(kāi)槽[13-16]等。其中在輻射貼片或者接地板上開(kāi)槽的方法應(yīng)用最為廣泛。開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的陷波天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且在整個(gè)頻帶內(nèi)阻抗匹配影響不大。一般的開(kāi)槽方法是將槽口開(kāi)成線(xiàn)形，即槽口寬度很小，通過(guò)改變槽口長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)陷波特性。而線(xiàn)形槽的形狀多種多樣，如直線(xiàn)形、U形、V形等，無(wú)論形狀如何變化，都是將天線(xiàn)的表面電流進(jìn)行了改變，從而形成陷波特性。文獻(xiàn)[13]中提出了一種在矩形的支節(jié)上開(kāi)V形槽以實(shí)現(xiàn)陷波特性的超寬帶微帶天線(xiàn)，該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且具有良好的輻射方向性。而在文獻(xiàn)[14]中，除了在輻射貼片上開(kāi)一個(gè) C形槽外，還在接地板上開(kāi)出一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的縫隙，形成一種組合的陷波結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的阻帶陡度更陡峭，帶寬更寬，具有良好的陷波特性。但以上兩種設(shè)計(jì)中，并沒(méi)有引入實(shí)現(xiàn)多頻率覆蓋的多陷波結(jié)構(gòu)，不能同時(shí)避免來(lái)自不同通信系統(tǒng)的干擾。文獻(xiàn)[15]通過(guò)在貼片饋線(xiàn)上開(kāi)出兩個(gè)環(huán)形的細(xì)槽實(shí)現(xiàn)了雙陷波特性。而文獻(xiàn)[16]則通過(guò)在貼片上開(kāi)出兩個(gè)L形槽和一個(gè)E形槽，在天線(xiàn)背面添加一個(gè)V形支節(jié)實(shí)現(xiàn)雙陷波特性。這些天線(xiàn)能夠在阻帶上實(shí)現(xiàn)良好的陷波功能，且在各個(gè)通帶都具有良好的輻射特性。但在這些設(shè)計(jì)中，天線(xiàn)只能通過(guò)改變槽的長(zhǎng)度來(lái)控制陷波的范圍，這使天線(xiàn)在調(diào)整陷波中心頻率時(shí)方法非常單一。

本文提出了一種在輻射貼片上開(kāi)圓弧狀H形槽和在接地板上開(kāi)L形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)雙陷波特性的超寬帶天線(xiàn)。通過(guò)改變圓弧狀H形槽中的一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)，對(duì)陷波的中心頻率進(jìn)行控制，這使天線(xiàn)在控制陷波范圍時(shí)有了更多的選擇。同時(shí)在接地板上開(kāi)出兩個(gè)L形槽以使天線(xiàn)具有雙陷波的功能，擁有兩個(gè)阻帶。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果都證明該天線(xiàn)具有良好的雙陷波特性，能夠在超寬帶頻帶內(nèi)避免諸如WiMax, WLAN以及其它窄帶通信系統(tǒng)的干擾。同時(shí)在通帶內(nèi)，該天線(xiàn)具有良好的輻射方向特性以及穩(wěn)定的增益。上述特性使該天線(xiàn)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

2 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理

超寬帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線(xiàn)印制在厚度為1.6 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR-4板上。天線(xiàn)的正面是一個(gè)圓形的輻射貼片，由50 Ω的微帶線(xiàn)進(jìn)行饋電。天線(xiàn)背面的接地板形狀經(jīng)過(guò)了如下改造[2]：切除矩形接地板上方的2個(gè)邊角，在板上開(kāi)2個(gè)對(duì)稱(chēng)的矩形槽，切除接地板下方2個(gè)矩形使接地板成T字形。在接地板上采用這樣的形狀能夠很大程度地增加天線(xiàn)的工作帶寬，減小回波損耗[2]。超寬帶天線(xiàn)的尺寸由表1列出。

圖1 超寬帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 超寬帶天線(xiàn)參數(shù)尺寸(單位mm)

上述的超寬帶天線(xiàn)沒(méi)有引入陷波結(jié)構(gòu)，沒(méi)有陷波特性，因而無(wú)法避免來(lái)自超寬帶頻帶上其它系統(tǒng)的干擾。為此，本文在此超寬帶天線(xiàn)的基礎(chǔ)上，引入雙陷波結(jié)構(gòu)，使天線(xiàn)能夠在超寬帶頻帶內(nèi)產(chǎn)生 2個(gè)阻帶。如圖2所示，在天線(xiàn)的圓形輻射貼片上開(kāi)一個(gè)帶圓弧狀的H形槽以形成陷波結(jié)構(gòu)，同時(shí)，在接地板上開(kāi)出2個(gè)總長(zhǎng)度都為l，槽寬度都為0.2 mm的L形槽，引入另一個(gè)中心頻率不同的陷波。對(duì)于在接地板上所開(kāi)的槽，根據(jù)半波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)的原理，應(yīng)該將槽的長(zhǎng)度設(shè)置為相應(yīng)陷波中心頻率對(duì)應(yīng)波導(dǎo)波長(zhǎng)的一半。相當(dāng)于引入了相對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)的陷波器。當(dāng)天線(xiàn)在這一頻率附近進(jìn)行工作時(shí)，表面電流大量集中在槽口附近，造成阻抗失配，從而形成陷波。陷波中心頻率與槽長(zhǎng)度的關(guān)系用式(1)表示為

圖2 雙陷波超寬帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

式中fnotch為形成陷波的中心頻率，c為光速，由于產(chǎn)生陷波的L形槽有2個(gè)，因而L為2個(gè)L形槽長(zhǎng)度l的和，εeff為根據(jù)工程需要所設(shè)定的有效介電常數(shù)。假設(shè)εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，其計(jì)算方法如式(2)所示：

另一個(gè)產(chǎn)生陷波的圓弧狀H形槽結(jié)構(gòu)雖然在形狀上有變化，但其原理同樣是通過(guò)改變天線(xiàn)的電流分布，達(dá)到陷波的目的。不同于線(xiàn)形槽只通過(guò)改變槽長(zhǎng)度來(lái)改變陷波中心頻率，圓弧狀H形槽擁有多個(gè)能對(duì)陷波范圍產(chǎn)生影響的參數(shù)，相關(guān)的參數(shù)研究將在下一節(jié)進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 圓弧狀H形槽的參數(shù)研究

為了使天線(xiàn)具有陷波的功能，在圓形的輻射貼片上開(kāi)出一個(gè)圓弧狀 H形槽。以覆蓋工作頻帶為3.3~3.6 GHz的WiMax應(yīng)用為目的設(shè)計(jì)陷波結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)該槽進(jìn)行設(shè)計(jì)。圓弧狀H形槽的設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3所示，RH表示外圓弧的半徑大小，LH0表示內(nèi)外圓弧的半徑之差，LH1表示連接兩弧之間槽口的寬度，α表示弧形與水平線(xiàn)的夾角。

圖3 圓弧狀H形槽的參數(shù)

在進(jìn)行參數(shù)研究之前，利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)天線(xiàn)的表面電流分布進(jìn)行了研究：在通帶天線(xiàn)表面電流分布平均，而在阻帶天線(xiàn)的表面電流集中在圓弧狀H形槽附近。這表明圓弧狀H形槽結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)改變天線(xiàn)的表面電流分布，形成諧振結(jié)構(gòu)，使天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)陷波功能。通過(guò)多次仿真計(jì)算，將槽的各個(gè)參數(shù)大致確定，對(duì)參數(shù)的值在小范圍變化中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖4所示，在其它參數(shù)不變的情況下，槽的各個(gè)參數(shù)對(duì)陷波中心頻率的位置有著大小不一的影響。在圖4(a)中，參數(shù)RH的取值分別為7 mm, 8 mm, 9 mm，當(dāng)RH的值在2 mm的范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，可以看到陷波明顯地向低頻位置移動(dòng)，由4.5 GHz下降到3 GHz附近。在圖4(b)中，參數(shù)LH0分別取值2.2 mm, 3.2 mm, 4.2 mm，可以看到，在變化上限同樣是2 mm的情況下，參數(shù)對(duì)陷波位置的影響很小，陷波中心始終在3.8 GHz附近。在圖 4(c)和圖 4(d)中，分別對(duì)參數(shù)LH1和夾角α進(jìn)行不同取值的仿真。參數(shù)LH1的變化范圍在2 mm內(nèi)，而陷波中心頻率受其影響由4.5 GHz下降到 3.8 GHz。對(duì)夾角α進(jìn)行不同的取值分別為π/ 6,π/ 4和π/3，結(jié)果顯示，陷波中心頻率隨著夾角度數(shù)增大，由4.5 GHz下降到3.6 GHz。從圖4(c)和圖 4(d)可以看出，參數(shù)LH1和夾角α對(duì)陷波中心頻率有較大的影響，但影響程度不如參數(shù)RH。最終，通過(guò)仿真將參數(shù)設(shè)定為：RH=8 mm,LH0=3.2 mm,LH1=2 mm,α=π/ 3。

圖4 圓弧狀H形槽的參數(shù)研究

從以上的參數(shù)研究中，可以得出圓弧狀H形槽各個(gè)參數(shù)對(duì)陷波中心頻率的影響程度，從而得到結(jié)論：圓弧狀H形槽中多個(gè)參數(shù)都對(duì)陷波中心頻率有較大影響。所以圓弧狀H形槽的特性是調(diào)整槽中的一個(gè)或幾個(gè)影響較大的參數(shù)將陷波控制在理想的位置，并通過(guò)調(diào)整影響較小的參數(shù)對(duì)陷波中心進(jìn)行微調(diào)，使中心頻率的位置更為準(zhǔn)確。相對(duì)于線(xiàn)形槽僅能靠改變槽長(zhǎng)度來(lái)控制陷波位置，圓弧狀H形槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于能夠以槽參數(shù)組合的形式來(lái)達(dá)到此目的。顯然，這樣的陷波結(jié)構(gòu)更加靈活，更能夠適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用的需要。

3.2 天線(xiàn)的陷波特性分析

在輻射貼片和接地板上開(kāi)槽之后，超寬帶天線(xiàn)具備了雙陷波特性。經(jīng)過(guò)對(duì)槽口參數(shù)的設(shè)定，將陷波的中心頻率設(shè)置為3.6 GHz和5.6 GHz，從而就能避免來(lái)自WiMax以及WLAN系統(tǒng)的信號(hào)干擾。如圖5所示的天線(xiàn)回波損耗圖中可以看出，在加入了雙陷波結(jié)構(gòu)之后，天線(xiàn)在2個(gè)頻帶擁有了陷波的功能。

圖5 雙陷波超寬帶天線(xiàn)的回波損耗

為了更好地解釋該天線(xiàn)產(chǎn)生陷波的原因，圖 6顯示了天線(xiàn)在頻帶內(nèi)的輸入阻抗曲線(xiàn)。從圖中可以看到，天線(xiàn)的輸入阻抗在兩個(gè)陷波頻帶發(fā)生了劇烈的變化：阻抗實(shí)部遠(yuǎn)大于50 Ω，阻抗的虛部脫離了原來(lái)0 Ω的范圍。從中可以得到的結(jié)論是天線(xiàn)的電抗曲線(xiàn)在這兩個(gè)頻帶呈現(xiàn)為并聯(lián)諧振電路特性，天線(xiàn)呈現(xiàn)出陷波的特性。

圖7為天線(xiàn)的等效電路圖。在天線(xiàn)中引入了陷波結(jié)構(gòu)，等效于在電路圖中增加了兩個(gè)諧振枝節(jié)。結(jié)合圖6中的天線(xiàn)阻抗曲線(xiàn)，可以理解為這兩個(gè)諧振枝節(jié)的存在相當(dāng)于電路中串聯(lián)了兩個(gè) LC并聯(lián)諧振電路。同時(shí)需要將兩個(gè)并聯(lián)諧振電路的諧振頻率設(shè)定在3.6 GHz以及5.6 GHz附近。這兩個(gè)諧振枝節(jié)在兩個(gè)陷波頻帶時(shí)分別產(chǎn)生諧振作用，導(dǎo)致天線(xiàn)無(wú)法正常地接收信號(hào)，避免來(lái)自其它通信系統(tǒng)的信號(hào)干擾。

圖6 雙陷波超寬帶天線(xiàn)的輸入阻抗

圖7 雙陷波超寬帶天線(xiàn)的等效電路圖

3.3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)仿真計(jì)算對(duì)天線(xiàn)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇之后，選擇合適的材料制作了天線(xiàn)實(shí)物。天線(xiàn)的基板采用介電常數(shù)為4.4的FR-4板，利用50 Ω的帶法蘭頭轉(zhuǎn)接器作為饋電接口，天線(xiàn)實(shí)物的尺寸為35.5×30.0×1.6 mm3。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線(xiàn)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試，天線(xiàn)的回波損耗如圖8所示。從圖中可以明顯地看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果十分接近，天線(xiàn)在3.6 GHz和5.6 GHz頻帶附近產(chǎn)生陷波，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。造成實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的細(xì)小差別的原因可能是制造精度的不足或天線(xiàn)轉(zhuǎn)接頭的接觸問(wèn)題。

天線(xiàn)的增益經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)在圖9中顯示。從圖中可以看到，天線(xiàn)在超寬帶頻帶中的通帶內(nèi)增益穩(wěn)定在3~5 dBi之間，而在兩個(gè)產(chǎn)生陷波的阻帶內(nèi)增益有明顯下降，最多下降到-5 dBi附近。從增益的角度來(lái)看，該天線(xiàn)在通帶內(nèi)有良好的增益，能夠穩(wěn)定地工作，而在阻帶范圍內(nèi)無(wú)法正常工作，從而避免了來(lái)自其它系統(tǒng)的信號(hào)干擾。

從應(yīng)用的角度看，超寬帶天線(xiàn)在具備陷波功能的同時(shí)，需要在通帶具備全向的輻射特性。圖10展示的是天線(xiàn)在3個(gè)通帶(2.9~3.3 GHz, 3.8~5.1 GHz,6.0~10.6 GHz)中某頻率點(diǎn)的輻射方向圖的仿真分析結(jié)果。從圖中可以看出，輻射方向圖在 E面(yz-平面)呈現(xiàn)的形狀為一個(gè)較寬的“8”字，而在H面(xz-平面)近似為一個(gè)圓形。這個(gè)結(jié)果表明，該天線(xiàn)在3個(gè)不同的通帶都具備良好的輻射方向特性，能夠滿(mǎn)足超寬帶通信系統(tǒng)的工作要求。

圖8 雙陷波超寬帶天線(xiàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果

圖9 雙陷波超寬帶天線(xiàn)的增益

圖10 雙陷波超寬帶的輻射方向圖

4 結(jié)論

本文提出一種具有雙陷波特性的超寬帶天線(xiàn)，能夠在超寬帶頻帶內(nèi)穩(wěn)定工作，并屏蔽來(lái)自WiMax和WLAN等窄帶通信系統(tǒng)的信號(hào)干擾。該天線(xiàn)的陷波結(jié)構(gòu)由輻射貼片上的圓弧狀H形槽和接地板上的兩個(gè)L形槽產(chǎn)生。對(duì)圓弧狀H形槽的參數(shù)研究表明，相對(duì)于線(xiàn)形槽，這種開(kāi)槽結(jié)構(gòu)能夠以槽參數(shù)組合的形式更有效地對(duì)陷波中心頻率進(jìn)行控制。同時(shí)，通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果分析，驗(yàn)證了該天線(xiàn)除了具有良好的陷波特性外，在輻射方向性上也表現(xiàn)出色。

[1] Federal Communications Commission. First report and order in the matter of revision of part 1-5 of the commission rules regarding ultra-wideband transmission systems[R]. USA:FCC, 2002.

[2] Prombutr N, Kirawanich P, and Akkaraekthalin P.Bandwidth enhancement of UWB microstrip antenna with a modified ground plane[J].IETE Journal of Research, 2009,55(5): 196-200.

[3] 趙波, 張曉娟, 方廣有. 一種新型超寬帶磁天線(xiàn)[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2009, 31(4): 1004-1006.Zhao Bo, Zhang Xiao-juan, and Fang Guang-you. A novel UWB magnetic antenna[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2009, 31(4): 1004-1006.

[4] Huang C Y and Hsia W C. Planar elliptical antenna for ultra-wideband communications[J].Electronics Letters, 2005,41(6): 296-297.

[5] Zhang Shuai, Lau Buon Kiong, Sunesson A,et al..Closely-packed UWB MIMO/diversity antenna with different patterns and polarizations for USB dongle applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012,60(9): 4372-4380.

[6] Schantz H G, Wolence G, and Myszka E M. Frequency notched UWB antenna[C]. IEEE Conference on Ultra-Wideband Systems and Technologies, RestonVA, USA,2003: 214-218.

[7] Antonino-Daviu Eva, Cabedo-Fabres M, Ferrando-Bataller M,et al.. Modal analysis and design of band-notched UWB planar monopole antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2010, 58(5): 1457-1467.

[8] Li Tong, Zhai Huiqing, Li Guihong,et al.. Compact UWB band-notched antenna design using interdigital capacitance loading loop resonator[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, 11: 724-727.

[9] Su Saou-wen, Wong Kin-lu, and Chang Fa-shian. Compact printed ultra-wideband slot antenna with a band-notched operation[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2005,45(2): 128-130.

[10] Hu Shuai-jiang, Wang Guang-ming, Zheng Long,et al..Design of a novel triangular wideband microstrip slot antenna with band-notched characteristic[C]. Global Symposium on Millimeter Waves, Harbin, 2012: 191-194.

[11] Li B, Hong J S, and Wang B Z. Switched band-notched UWB/dual-band WLAN slot antenna with inverted S-shaped slots[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2012, 11: 572-575.

[12] Emadian S R, Ghobadi C, Nourinia J,et al.. Bandwidth enhancement of CPW-fed circle-like slot antenna with dual band-notched characteristic[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, 11: 543-546.

[13] 程勇, 呂文俊, 程崇虎, 等. 一種小型陷波多用途超寬帶天線(xiàn)[J]. 微波學(xué)報(bào), 2007, 23(1): 20-24.Cheng Yong, Lü Wen-jun, Cheng Chong-hu,et al.. A compact frequency notched ultra-wideband antenna for multiple application[J].Journal of Microwaves, 2007, 23(1): 20-24.

[14] 葉亮華, 褚慶昕. 一種小型的具有良好陷波特性的超寬帶縫隙天線(xiàn)[J]. 電子學(xué)報(bào), 2010, 38(12): 2862-2867.Ye Liang-hua and Chu Qing-xin. Improved notch-band slot UWB antenna with small size[J].Acta Electronica Sinica,2010, 38(12): 2862-2867.

[15] Li W T, Hei Y Q, Feng W,et al.. Planar antenna for 3G/bluetooth/WiMAX and UWB applications with dual band-notched characteristics[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, 11: 61-64.

[16] Mehranpour M, Nourinia J, Ghobadi C,et al.. Dual band-notched square monopole antenna for ultrawideband applications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, 11: 172-175.