超寬帶陷波天線的設(shè)計(jì)

朱曉明,侯曉力,王 巖,陳書晴

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

超寬帶陷波天線的設(shè)計(jì)

朱曉明,侯曉力,王 巖,陳書晴

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

為了避免現(xiàn)存的窄帶信號(hào)對(duì)超寬帶系統(tǒng)的干擾，提出一種具有附加寄生單元結(jié)構(gòu)的超寬帶陷波天線模型。通過(guò)對(duì)天線矩形輻射貼片和接地板形狀的改進(jìn)，使之在超寬帶的輻射頻段內(nèi)具有較寬的阻抗匹配特性，同時(shí)在天線背面加入兩個(gè)T形寄生單元使其具有陷波特性。利用HFSS軟件仿真測(cè)試天線性能，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的陷波天線實(shí)現(xiàn)對(duì)WLAN窄帶干擾信號(hào)的抑制，同時(shí)在工作頻段內(nèi)表現(xiàn)出較好的全向輻射特性。

超寬帶天線；陷波特性；附加寄生單元；HFSS

2002年4月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)( Federal Communications Commission,FCC)統(tǒng)一規(guī)范了超寬帶系統(tǒng)(Ultra-wide Band,UWB)的頻帶范圍為3.1～10.6 GHz[1]。超寬帶天線的設(shè)計(jì)需要在整個(gè)頻段內(nèi)具有良好的阻抗匹配特性、穩(wěn)定的增益和良好的輻射方向性，所以超寬帶天線成為研究的重點(diǎn)。但是在超寬帶系統(tǒng)的頻段內(nèi)還存在著一些窄帶系統(tǒng)，例如無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks,WLAN)頻帶(5.15～5.35 GHz，5.470～5.725 GHz)和IEEE802.11a頻帶(5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz)，以及用于WiMAX服務(wù)的頻帶(3.3～3.6 GHz)，用于通信衛(wèi)星傳輸信號(hào)的C波段(3.7～4.2 GHz)、X波段(7.25～7.75 GHz，7.9～8.4 GHz)都工作于UWB系統(tǒng)的頻段中，這些系統(tǒng)的信號(hào)會(huì)對(duì)超寬帶通信產(chǎn)生干擾，因此,設(shè)計(jì)出具有陷波功能的超寬帶天線成為一個(gè)重要的研究方向。目前的設(shè)計(jì)方法主要分為兩種:一種是在天線和射頻前端之間添加帶阻濾波器，或使用具有陷波特性的傳輸線結(jié)構(gòu)[2-3]；另一種是通過(guò)改變天線的結(jié)構(gòu)，從而影響天線上的電流分布來(lái)實(shí)現(xiàn)陷波的性能，天線相當(dāng)于增加了一個(gè)帶阻濾波器，比較常用的方法是刻蝕槽和增加輻射諧振單元[4-10]。

本文提出一種新穎結(jié)構(gòu)的陷波單極子超寬帶天線結(jié)構(gòu)，采用共面波導(dǎo)饋電形式，通過(guò)引入雙T寄生單元，實(shí)現(xiàn)超寬帶天線對(duì)WLAN頻段信號(hào)的陷波抑制作用。

1 超寬帶陷波天線模型

所設(shè)計(jì)的陷波超寬帶天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線印刷在相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗正切為0.02的介質(zhì)聚四氟乙烯基板上，其尺寸為22 mm×12 mm×1.6 mm。

設(shè)計(jì)天線的參數(shù)和天線的饋電匹配阻抗與微波傳輸線的寬度、基板的介電常數(shù)、基板高度等參數(shù)均有關(guān)系，為保證天線的饋電阻抗?jié)M足50 Ω匹配，在計(jì)算時(shí)需要折中考慮參數(shù)的選擇。為方便計(jì)算和分析，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，天線近似的有效介電常數(shù)為

(1)

式中:εeff_slot為有效介電常數(shù)，εr為相對(duì)介電常數(shù)。

(2)

l=λn/4.

(3)

式中:fn為天線的陷波中心頻率，λn為該陷波頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。圖1中用于陷波作用的雙T附加寄生單元的長(zhǎng)度l可由式(2)、式(3)計(jì)算得出。

圖1 陷波超寬帶天線結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定基礎(chǔ)天線模型參數(shù)如下：W0=7 mm，W1=4.8 mm，W2=1.1 mm，W3=1.8 mm，L0=8.5 mm，L1=3 mm，L2=8 mm，L3=1.8 mm。通過(guò)引入附加寄生單元，使其上面的電流與輻射貼片上的電流方向相反，從而使被抑制頻帶內(nèi)的反射系數(shù)大大增加，在超寬帶頻譜上實(shí)現(xiàn)頻帶抑制。

2 天線輻射性能分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的超寬帶陷波天線的特性，應(yīng)用電磁仿真軟件 HFSS進(jìn)行仿真與分析，確定出最優(yōu)的天線模型參數(shù)，滿足超寬帶系統(tǒng)的需求。

天線在3.5 GHz、5.5 GHz、8.5 GHz頻率下的電流分布情況如圖2所示，電流強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

由圖2可見，天線在陷波中心頻率 5.5 GHz 處電流主要集中分布在雙T形寄生單元，相當(dāng)于在此位置上串聯(lián)諧振器達(dá)到了諧振狀態(tài)，這樣天線在該頻點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)了陷波抑制功能；在其他工作頻率點(diǎn)下，天線的電流主要集中在金屬導(dǎo)帶和饋電點(diǎn)附近，表明雙T附加寄生單元此時(shí)并未處于諧振狀態(tài)，天線主要表現(xiàn)超寬帶特性。

(a) 3.5 GHz

(b) 5.5 GHz

(c) 8.5 GHz

設(shè)計(jì)天線在工作頻段3.5 GHz、6.5 GHz、8.5 GHz時(shí)的E面和H面的歸一化方向如圖3所示，可見在天線H面上全向輻射的特性較好，在E面方向圖上近似偶極子天線的輻射特性，也近似接近于全向輻射特性?？墒请S著頻率的增加，E面方向圖發(fā)生一些畸變，這主要是由于雙T附加寄生單元泄露出的電磁波干擾了該天線的輻射特性，但是并不影響該天線整體的輻射性能，它在整個(gè)頻率范圍內(nèi)還是保持非常好的穩(wěn)定性，仍能滿足UWB通信的需求。

天線的駐波比(VSWR)曲線如圖4所示，在超寬帶系統(tǒng)所覆蓋的3.1～10.6 GHz頻段內(nèi)，當(dāng)頻率范圍處于5.11～5.93 GHz內(nèi)天線駐波比曲線大于2，表明超寬帶天線在此范圍內(nèi)具有抑制信號(hào)的作用，無(wú)法正常工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)WLAN窄帶信號(hào)的濾波作用。

(a)3.5 GHz

(b)6.5 GHz

(c) 8.5 GHz

圖4 超寬帶陷波天線的駐波比曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的具有雙T寄生單元結(jié)構(gòu)的超寬帶陷波天線不僅尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，而且易于加工制作，特別適合作為小型化終端超寬帶天線設(shè)備的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為了抑制UWB 系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)之間的潛在干擾，比起在天線設(shè)備前端加入帶阻濾波器方案，所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)更具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

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Designofminiaturizationband-notchedUWBantenna

ZHU Xiao-ming, HOU Xiao-li, WANG Yan, CHEN Shu-qing

(College of Electrical and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

In order to avoid narrow-band signal in UWB system, the band-notched UWB antenna with parasitic elements structure is proposed which size is 22 mm×12 mm×1.6 mm. It has wider impedance matching characteristic because of the shape improvement of rectangle radiation patch and ground plane. Two T-shaped parasitic elements make the UWB antenna to have band-notched performance. Based on HFSS software the antenna simulation results show the designed antenna realizes inhibition of narrowband signals from WLAN system and has good omnidirectional radiation characteristics in working frequencies.

UWB antenna;band-notched performance;additional parasitic elements;HFSS

2013-05-04

黑龍江工程學(xué)院青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2013QJ09)

朱曉明(1982-),女, 講師，研究方向：超寬帶天線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.

TN82

A

1671-4679(2014)01-0061-03

郝麗英]