一種新型的具有帶阻特性的超寬帶天線*

吳毅強(qiáng)，張平平，胡少文，鄧 淼，周輝林

(南昌大學(xué)電子信息工程系，南昌330031)

一種新型的具有帶阻特性的超寬帶天線*

吳毅強(qiáng)*，張平平，胡少文，鄧 淼，周輝林

(南昌大學(xué)電子信息工程系，南昌330031)

設(shè)計(jì)制作了一種新型的具有帶阻特性的超寬帶微帶天線。采用在六邊形輻射貼片上開(kāi)一對(duì)稱的U形槽，實(shí)現(xiàn)了天線的帶阻特性。仿真結(jié)果表明，可以方便地通過(guò)改變U形槽的寬度來(lái)改變阻帶的位置和寬度?？蓪?shí)現(xiàn)天線頻帶寬度(S11≤-10 dB)為3.015 GHz～13.270 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)126%，并能精確阻隔WLAN(5.725 GHz～5.85 GHz)頻率段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該天線適用于超寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用。

超寬帶;U形槽;帶阻功能;WLAN

隨著無(wú)線通訊需求的不斷增加，超寬帶UWB (Ultra-Wide-Band)無(wú)線通訊技術(shù)以其低功耗、高帶寬、低復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)批準(zhǔn)將3.1～10.6 GHz頻段作為超帶寬技術(shù)的應(yīng)用。另外隨著智能手機(jī)、平板電腦的普及，WLAN的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其頻段被超寬帶天線所工作的頻段所覆蓋，隨之而來(lái)的頻段之間的干擾問(wèn)題也越來(lái)越突出。為了克服這一問(wèn)題，需要在超寬帶系統(tǒng)的頻段內(nèi)濾除WLAN窄頻段，采取具有帶阻特性的超寬帶微帶天線是一個(gè)可行的方法?，F(xiàn)在有許多文獻(xiàn)［1-12］中提到了可以實(shí)現(xiàn)帶阻特性的各種不同方法，例如在天線上開(kāi)不同的縫、在主貼片的兩邊或頂部加載寄生貼片、使用調(diào)諧支線等。

其中文獻(xiàn)［12］作者提出的具有帶阻特性的超寬帶天線。首先，其阻帶頻率段比較廣(5.0 GHz～5.95 GHz)，抑制WLAN信號(hào)精確度不高;其次，WLAN在5 G頻率段協(xié)議802.11a，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)使用的頻率段范圍為5.725 GHz～5.850 GHz，其天線阻帶頻率段在5.0 GHz～5.95 GHz，與其相差比較大，表明此天線不適合在國(guó)內(nèi)使用。本文設(shè)計(jì)了一種新穎的具有帶阻特性的超寬帶天線，在六邊形輻射貼片上開(kāi)一對(duì)對(duì)稱的U形槽，可以很精確地抑制5.725 GHz～5.85 GHz頻段，而不至于屏蔽其他頻段，適合在國(guó)內(nèi)使用，且其工作帶寬可達(dá)到3.015 GHz～13.270 GHz，包含了整個(gè)UWB頻段，同時(shí)在整個(gè)工作頻帶內(nèi)又具有比較好的輻射方向圖。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該天線使用的介質(zhì)板材料為FR4，εr=4.4，損耗正切tanδ=0.02，基板尺寸為52 mm×28 mm× 1.59 mm。圖1所示為天線的幾何結(jié)構(gòu)。天線由開(kāi)了一對(duì)對(duì)稱U型槽的六邊形金屬輻射貼片和長(zhǎng)方形底金屬片組成，采用阻抗為50Ω的微帶線進(jìn)行饋電，金屬帶寬度為Wf。其中U型槽結(jié)構(gòu)對(duì)天線實(shí)現(xiàn)阻帶特性起到關(guān)鍵作用，且改變U型槽寬度可以很好地控制阻帶的頻段。U型槽改變了天線表面的電流分布，在某個(gè)頻率段電流集中在U型槽的底部，饋電附近的阻抗接近于0，從而使天線在該頻率段產(chǎn)生較大的衰減和阻抗匹配，形成阻帶。在HFSS中建立模型，對(duì)天線幾何尺寸進(jìn)行大致優(yōu)化，初步確定天線的尺寸，如表1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

表1 天線尺寸 單位:mm

2 天線的分析與仿真

首先對(duì)未開(kāi)U形槽的天線進(jìn)行仿真，天線在3.068 GHz～12.479 GHz頻率段S11≤-10 dB;開(kāi)了對(duì)稱U型槽后再對(duì)其進(jìn)行仿真，天線在4.34 GHz～5.125 GHz頻率段S11≥-10 dB，出現(xiàn)了一個(gè)稍尖銳的阻頻段，對(duì)比如圖2所示，表明U型槽結(jié)構(gòu)對(duì)天線實(shí)現(xiàn)阻帶特性起到?jīng)Q定性作用。

圖3 L s1對(duì)S11的影響

為了更好了解U型槽寬度對(duì)阻帶頻率段位置的影響，先對(duì)U型槽寬度Ls1進(jìn)行大致優(yōu)化，使其在3.2 mm～7.2 mm，間隔為1 mm變化，仿真結(jié)果如圖3所示。發(fā)現(xiàn)阻帶頻率段位置隨Ls1的增大而降低，Ls1在4.2 mm接近于WLAN協(xié)議802.11a在國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。

為了使阻帶更接近于此頻率段，再對(duì)Ls1進(jìn)行更加細(xì)化的優(yōu)化，使其在4.1 mm～4.3 mm，間隔為0.1 mm變化，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 對(duì)L s1的細(xì)化

天線在Ls1=4.2 mm時(shí)，頻率段5.70 GHz～5.91 GHz駐波比小于2，最接近于5.725 GHz～5.850 GHz這個(gè)頻段，偏差在幾十MHz左右，表明天線能夠很精確地抑制WLAN802.11a頻段(5.725 GHz～5.850 GHz)。同時(shí)，天線的頻帶寬度(S11≤-10 dB)為3.015 GHz～13.27 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)126%，且具有對(duì)稱的方向圖和良好的增益。圖5(a)、5(b)所示為天線在3.0 GHz、6.0 GHz和9.0 GHz下的仿真輻射方向圖，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖2 U型槽對(duì)S11的影響

圖5 天線的輻射方向圖

3 天線制作與實(shí)測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的天線的實(shí)用性，根據(jù)上述分析及HFSS優(yōu)化后得到的尺寸，對(duì)該天線進(jìn)行實(shí)際的加工制作和測(cè)試，并利用AV3620矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及功率計(jì)對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，天線的實(shí)物圖和測(cè)試的反射系數(shù)如圖6所示。天線的增益、輻射方向圖如圖7所示。

圖6 天線實(shí)物和實(shí)測(cè)回波損耗

圖7 實(shí)測(cè)天線的輻射方向圖和增益圖

從圖6可以看出，天線的帶阻頻段的實(shí)測(cè)值與仿真曲線有偏差，主要是由SMA接頭以及焊錫的散射效應(yīng)所引起，此外加工誤差也會(huì)對(duì)天線的回波損耗產(chǎn)生影響。該天線基本上能夠滿足微波通信的要求。

從圖7中(a)、(b)可以看出，天線的實(shí)測(cè)輻射方向圖稍有些偏差，從圖7(c)可以看出實(shí)測(cè)的增益與仿真的增益基本上吻合，實(shí)測(cè)值與仿真曲線有些偏差，主要是因?yàn)榧庸ふ`差和測(cè)量誤差所引起的。

4 結(jié)論

在超寬帶天線輻射貼片上開(kāi)一對(duì)稱的U形槽，改變了此天線上的電流分布，可以通過(guò)改變U形槽的寬度調(diào)節(jié)阻帶范圍。本文所設(shè)計(jì)制作的超寬帶天線具有優(yōu)良的阻抗特性和輻射特性，其最顯著的特點(diǎn)是能精確抑制WLAN協(xié)議之一802.11a標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)所使用的頻率段(5.725 GHz～5.850 GHz)。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明此制作的超寬帶帶阻天線具有實(shí)用價(jià)值。

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A Novel UWB M icro-Strip Antenna w ith Band-Notched Characteristics*

WU Yiqiang*，ZHANG Pingping，HU Shaowen，DENGMiao，ZHOU Huilin
(Department of Electronic，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

A novel UWBmicro-strip antenna with band-notched characteristicswas designed and manufactured.Using a hexagons patch as the radiation elementand cutting a pair of symmetrical U-shaped slot，the band-notched characteristics of the antenna was realized.Simulated results show that the width of the U-shaped slot determined the center frequency and the bandwidth of the notched band.With the presented design，the bandwidth(return loss≤-10 dB)starts from 3. 015 GHz up to 13.270 GHz thatmeans a relative bandwidth of126%and it effectively eliminates the 5.725 GHz～5.85 GHzWLAN range.Measured results confirm that the proposed antenna is suitable for UWB applications.

Ultra-wideband(UWB);U shaped slot;band-notched function;WLAN

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.001

TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-9490(2014)01-0001-04

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61062009)

2013-05-11修改日期:2013-05-23

EEACC:5270

吳毅強(qiáng)(1959-)，男，江西上饒人，現(xiàn)任南昌大學(xué)電子系教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事射頻與微波技術(shù)及其應(yīng)用的教學(xué)與研究，wyq555@126.com;

張平平(1990-)，男，江西南昌人，碩士研究生，現(xiàn)讀于南昌大學(xué)電子系，研究方向?yàn)樯漕l微波技術(shù)與天線設(shè)計(jì)，zpp360121@126.com.