一種體域網(wǎng)超寬帶陷波天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅志勇 張 彬 龐 宇 胡俊鋒

1(重慶郵電大學(xué)先進(jìn)制造工程學(xué)院，重慶 400065)2(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065)3(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065)

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一種體域網(wǎng)超寬帶陷波天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅志勇1*張 彬2龐 宇3胡俊鋒2

1(重慶郵電大學(xué)先進(jìn)制造工程學(xué)院，重慶 400065)2(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065)3(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065)

為滿足無線身體局域網(wǎng)(WLAN)系統(tǒng)中對(duì)天線的陷波要求，采用在輻射貼片上開U形槽的方法設(shè)計(jì)了一款超寬帶陷波天線，以抑制WLAN窄帶干擾信號(hào)。在超寬帶天線輻射貼片上開U形槽，改變電流分布。通過調(diào)節(jié)U形槽的尺寸，實(shí)現(xiàn)對(duì)WLAN(5.15～5.825 GHz)窄帶干擾信號(hào)的抑制。采用量子行為粒子群優(yōu)化算法(QPSO)，分別對(duì)超寬帶天線輻射貼片尺寸和U形槽的尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。利用HFSS仿真軟件，對(duì)天線建模仿真和安捷倫N5230A網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試。仿真和測(cè)試結(jié)果表明，天線在3.8 GHz處實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，天線帶寬覆蓋3.1～10.6 GHz，并且 WLAN (5.15～5.825 GHz)窄帶干擾信號(hào)得到抑制。天線的全向性除陷波點(diǎn)外都表現(xiàn)良好。該設(shè)計(jì)方法和算法優(yōu)化是有效可行的。

無線身體局域網(wǎng)；超寬帶天線；U形槽；量子行為粒子群優(yōu)化算法

引言

為滿足美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)對(duì)無線身體局域網(wǎng)(ultra wide band,UWB)無線通信系統(tǒng)的要求，天線要有超寬的頻帶寬度，覆蓋3.1～10.6 GHz。超寬帶通信系統(tǒng)覆蓋的頻段非常寬，容易對(duì)已有的無線局域網(wǎng)(wireless body area network, WLAN)的5.15～5.825 GHz頻段形成干擾，降低通信質(zhì)量。無線身體局域網(wǎng)系統(tǒng)在遠(yuǎn)程醫(yī)療和健康領(lǐng)域有巨大的潛力，已經(jīng)引起人們的密切關(guān)注[1-4]。天線是無線通信中的重要元件。超寬帶天線具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點(diǎn)，非常適用于無線體域網(wǎng)。但是，用于無線體域網(wǎng)中的超寬帶天線不僅要質(zhì)量輕、成本低，而且要具有阻抗匹配和在寬頻范圍內(nèi)高增益的特點(diǎn)。除此之外，WLAN頻段是超寬帶中一個(gè)比較常用的頻段，用于無線體域網(wǎng)的天線需要濾除這個(gè)頻段，避免在應(yīng)用中出現(xiàn)干擾，因此應(yīng)用在無線體域網(wǎng)的超寬帶天線需要具有陷波功能。目前的陷波方法主要分為兩種：一種是在天線和射頻前端之間添加帶阻濾波器，或者使用具有陷波特性的傳輸線結(jié)構(gòu)，使天線達(dá)到陷波效果[5-6]；另一種是改變天線結(jié)構(gòu)，通過影響天線輻射單元上的電流分布來實(shí)現(xiàn)天線的陷波，比較常用的方法是開槽和增加輻射諧振單元[7-9]。

本課題的設(shè)計(jì)思路是在一個(gè)單獨(dú)結(jié)構(gòu)的超寬帶天線輻射貼片上開U形槽，相當(dāng)于在超寬帶天線上嵌入U(xiǎn)型諧振器，利用諧振器調(diào)節(jié)天線阻抗的方法來實(shí)現(xiàn)超寬帶天線的陷波。為了使天線達(dá)到理想性能，筆者利用量子行為粒子群優(yōu)化算法，對(duì)天線輻射貼片和U形槽的尺寸參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行最優(yōu)選擇。

1 材料和方法

1.1 材料

天線輻射單元和50 Ω共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)饋電線采用銅材料。由于在天線相同尺寸下，基板介電常數(shù)越小，工作中心頻帶就越往高頻移動(dòng)，同時(shí)工作帶寬增大，所以天線基板的介電常數(shù)對(duì)天線的中心頻率和帶寬都產(chǎn)生影響。天線基板材料選取為FR-4，該材料的相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4，損耗角的正切值tanδ=0.02，基板厚度h=1.5 mm。

1.2 方法

1.2.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者所設(shè)計(jì)的是中心頻率為3.8 GHz的超寬帶陷波天線，其尺寸為31 mm×28 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線輻射單元貼片底部和接地板采用圓弧漸變結(jié)構(gòu)，可以從一個(gè)頻率平穩(wěn)地過渡到另一個(gè)頻率，在較寬的頻帶內(nèi)，超寬帶天線都可以獲得很好的阻抗匹配效果[10-11]。

圖1 天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Antenna structure

天線和U形槽的尺寸參數(shù)如表1、2所示。

表1 天線尺寸

表2 U形槽尺寸

1.2.2 優(yōu)化參數(shù)設(shè)定

由于超寬帶天線的輻射性能主要與輻射貼片形狀和尺寸有關(guān)，所以利用HFSS軟件改變半橢圓輻射貼片的長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度值，仿真分析其對(duì)天線回波損耗的影響，如圖2所示。在圖2(a)中，R1對(duì)應(yīng)貼片的寬度, 可以看出其對(duì)帶寬有一定的影響, 隨著R1的增加, 天線的阻抗帶寬不斷減小。從圖2(b)中可以看出, 在一定的范圍內(nèi), 隨著R2的增加, 天線的阻抗帶寬不斷增大。究其原因，主要是R2增大, 即輻射貼片的高度增加, 相當(dāng)于增大了共面波導(dǎo)饋線與輻射貼片之間的阻抗匹配段, 同時(shí)與地板的諧振也得到增強(qiáng)，從而使天線的阻抗帶寬得到展寬。因此, 可以通過量子行為粒子群優(yōu)化算法(quantum-behaved particle swarm optimization, QPSO)，對(duì)R1、R2進(jìn)行調(diào)節(jié)，使天線實(shí)現(xiàn)良好的匹配, 從而獲得頻帶內(nèi)比較理想的阻抗特性。

圖2 輻射貼片尺寸變化對(duì)超寬帶天線的影響。(a) R1；(b) R2Fig.2 Influence of the radiating patch’s size change to the UWB antenna. (a) R1；(b) R2

為了實(shí)現(xiàn)超寬帶天線陷波特性，在天線的輻射貼片上開U形槽，改變天線輻射貼片上電流分布。這樣做的原理是：通過調(diào)節(jié)U形槽的長(zhǎng)度來達(dá)到需要抑制頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，該頻率點(diǎn)及其附近頻段的輻射貼片的表面電流被集中而導(dǎo)致輻射能量減少，天線的輸入阻抗異常而導(dǎo)致阻抗失配，但在天線的其他頻段不會(huì)被影響，從而達(dá)到所需要的頻段陷波。由此，U形槽的長(zhǎng)度尺寸[12]可以由下式推導(dǎo)得出：

(1)

式中，Lu為U形槽的總長(zhǎng)度，feff為陷波頻段的中心頻率，εeff為天線U形槽處的有效介電常數(shù)。

εeff的值由下式得到：

(2)

由式(1)、(2)，可以推導(dǎo)出U形槽的長(zhǎng)度。

超寬帶陷波天線的陷波性能由U形槽總長(zhǎng)度Lu、縫隙寬度S和開槽位置V決定。上述理論推導(dǎo)可以確定U形槽總長(zhǎng)度Lu，利用HFSS分別對(duì)參數(shù)S和V進(jìn)行天線仿真分析，對(duì)陷波性能的影響如圖3所示。

圖3 U形槽變化對(duì)超寬帶天線影響。(a) S；(b) VFig.3 Influence of the U-shaped slot change to the UWB antenna. (a) S；(b) V

由圖3(a)可以看出，U形槽縫隙寬度影響陷波的中心頻率，但對(duì)帶寬不造成影響；從圖3(b)可以看出，U形槽位置影響陷波的帶寬。因此，可以將S和V作為QPSO參數(shù)進(jìn)行陷波性能優(yōu)化。

通過以上天線和U形槽尺寸參數(shù)對(duì)超寬帶陷波天線性能影響的仿真分析，確定QPSO算法優(yōu)化參數(shù)的范圍，如表3所示。根據(jù)超寬帶陷波性能指標(biāo)，預(yù)設(shè)得到天線和U形槽最初的尺寸參數(shù)值。

表3 QPSO算法優(yōu)化參數(shù)范圍

1.2.3 優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

利用QPSO優(yōu)化算法[13-14]對(duì)天線尺寸和U形槽尺寸同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，采用權(quán)重系數(shù)變換法得到最優(yōu)解，使天線的帶寬和陷波特性達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。QPSO優(yōu)化算法的天線尺寸優(yōu)化參數(shù)為R1、R2，U形槽優(yōu)化參數(shù)為S、V。在一定范圍內(nèi)，隨機(jī)選取10個(gè)粒子，Xn=[xn1,xn2,xn3,xn4](n=1～10)，其中xn1～xn4分別代表R1、R2、S、V。

1.2.3.1 每個(gè)粒子的自適應(yīng)函數(shù)

天線在3.1～10.6 GHz頻段實(shí)現(xiàn)超寬帶，有

(3)

(4)

天線在5.2 ～5.8 GHz頻段實(shí)現(xiàn)陷波，有

(5)

(6)

Fitness=0.5Fitness1+0.5Fitness2

(7)

1.2.3.2 QPSO優(yōu)化算法流程

在量子理論中，承載信息的最小單位定義為量子比特位,可以是0～1的任何重疊。在t次迭代，定義一個(gè)量子向量，Q(t)=qt1,…，qtn，其中n是種群大??；qtj是j代粒子的量子能量，定義位qtj=[qtj(1),qtj(2),…，qtj(m)]，其中1≤qtj(i)≤(i=1,…，m)代表量子粒，m是粒子長(zhǎng)度。qtj(i)是出現(xiàn)0情況的概率。QPSO算法可以表述如下：

步驟1，t←0；

步驟2，初始化Q(t)；

步驟3，根據(jù)Q(t)得到P(t)；

步驟4，估算P(t)；

步驟5，存儲(chǔ)P(t)中的最佳解；

步驟6，判斷是否滿足結(jié)束條件，不滿足則t=t+1，根據(jù)Q(t-1)得到P(t)，估算P(t)，更新Q(t)，存儲(chǔ)P(t)中的最佳解，滿足則結(jié)束整個(gè)算法。

(8)

式中，ptj(i)代表ptj(j=1,…，n)的第i部分。

步驟4通過估計(jì)函數(shù)得到，最優(yōu)解通過最初的P(t)得到并儲(chǔ)存。

粒子向量P(t)通過觀察Q(t-1)得到，步驟4按照上述方法執(zhí)行。就像PSO算法一樣，QPSO為了存儲(chǔ)最佳解位置，對(duì)已經(jīng)找到的個(gè)體最優(yōu)和全局最優(yōu)擁有記憶能力。通過這些位置，根據(jù)粒子位置的變化，全局最優(yōu)qt,gbest和個(gè)體最優(yōu)qt,jbest的量子能量值可以被計(jì)算，有

(9)

(10)

式中:α+β=1(0<α,β<1)被定義為Q(t)控制階度參數(shù)，α越小期望值出現(xiàn)的概率越大；pt,gbest代表全局最優(yōu)量子的最佳解位置，pt,jbest代表個(gè)體最優(yōu)量子的最佳解位置。

q(t+1)j=c1×qtj+c2×qt,jbest+c3×qt,gbest

(11)

式中：c1+c2+c3=1(0<(c1,c2,c3)<1)，分別代表階度自信度的個(gè)體和全局量子能量最大值；q(t+1)j代表第j代粒子第(t+1)次迭代的量子能量值。

在步驟6這步循環(huán)后,P(t)的最佳位置產(chǎn)生，如果它優(yōu)于已存儲(chǔ)的最佳解則被存儲(chǔ)。整個(gè)循環(huán)結(jié)束，存儲(chǔ)的最佳解即為QPSO得到的期望解。

1.2.4 仿真與測(cè)試

筆者所設(shè)計(jì)的天線中心頻率為3.8 GHz，為滿足天線在無線身體局域網(wǎng)中的應(yīng)用需求，這里把超寬帶天線置于模擬的皮膚表面，對(duì)天線進(jìn)行建模仿真。人體的介電常數(shù)是分析電磁波與人體相互作用的重要參數(shù)，人體附近的水平電場(chǎng)分量由入射波在空氣和人體分界面的透射和反射、入射角及入射波的極化方向來決定，人體的電氣特性決定了空氣與人體分界面處入射波、反射波和透射波之間的比例關(guān)系。把超寬帶天線置于模擬3.8 GHz人體電磁參數(shù)的皮膚表面，對(duì)天線進(jìn)行仿真分析。其中，在3.8 GHz時(shí)人體電磁參數(shù)[15]如表4所示。

表4 人體組織電磁參數(shù)

圖4 天線仿真模型Fig.4 Simulation model of antenna

利用HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行建模，如圖4所示。利用安捷倫N5230A網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)天線與人體位置關(guān)系如圖5所示，天線平置于人體手臂的手腕處外側(cè)，饋電轉(zhuǎn)接頭朝向手臂上方。

圖5 天線放置位置Fig.5 Antenna placement

2 結(jié)果

2.1 算法優(yōu)化結(jié)果

通過QPSO優(yōu)化算法得到參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，如表5所示。

表5 QPSO算法參數(shù)結(jié)果Tab.5 Optimal results of the antenna’s parameters by QPSO

2.2 天線實(shí)物

根據(jù)上述算法優(yōu)化結(jié)果，通過在基板上貼感光干膜，再經(jīng)過連續(xù)曝光顯像、蝕刻退膜、水洗干燥等加工環(huán)節(jié)，制作出來的天線實(shí)物如圖6所示。天線的尺寸為31 mm×28 mm，基板上覆蓋銅制輻射貼片，輻射貼片上方開U形槽，下方焊接饋電轉(zhuǎn)接。

圖6 天線實(shí)物Fig.6 Physical map of the antenna

2.3 仿真與測(cè)試結(jié)果

采用回波損耗和方向圖衡量天線的性能，回波損耗計(jì)算如下：

(12)

式中，Z1表示天線阻抗，Z0表示饋線阻抗。

當(dāng)理想阻抗匹配，Z1=Z0。實(shí)際達(dá)不到理想狀態(tài)，當(dāng)Z1-Z0無限趨于0時(shí)候阻抗匹配，S11值最小。一般當(dāng)S11小于-10 dB時(shí)，滿足通信要求。所以，采用回波損耗圖來衡量天線的阻抗匹配、帶寬、陷波性能。

天線的回波損耗仿真與測(cè)試對(duì)比如圖7所示，天線方向圖的仿真與測(cè)試對(duì)比如圖8所示。

圖7 天線的回波損耗仿真和測(cè)試Fig.7 Simulation and test chart of antenna for the return loss

圖8 天線方向圖的仿真和測(cè)試。(a) 3.8 GHz；(b) 5.5 GHz; (c) 8.1 GHzFig.8 Simulation and test chart of antenna for the return loss. (a) 3.8GHz；(b) 5.5 GHz; (c)8.1 GHz

在圖7中，天線回波損耗的仿真和測(cè)試結(jié)果基本一致。可以看出，天線在3.8 GHz處回波損耗最小，天線在3.1～10.6 GHz之間處陷波頻帶的回波損耗都小于-10 dB，天線在5.2～5.8 GHz處的回波損耗都大于-10 dB。這表明，該天線在中心頻率處有良好的阻抗匹配帶寬和陷波特性。由于存在工業(yè)制作誤差，天線實(shí)物的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生誤差，但達(dá)到了總體性能指標(biāo)。天線除了陷波頻段外都在-10 dB以下，在3.8 GHz處實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配。

圖8(a)～(c)分別為天線在3.8、5.5、8.1 GHz處的方向圖。可以看出，測(cè)試與仿真結(jié)果基本吻合。天線在H面具有較好的全向性，隨著頻率的增加，天線特性除了在陷波頻點(diǎn)有明顯的惡化外，在其他頻點(diǎn)上是接近全向的。結(jié)合圖5天線與皮膚表面位置關(guān)系，可看出天線E-Theta分量面與皮膚面垂直，E-Phi分量面與皮膚面平行，E面與H面垂直。在圖8中，3.8、5.5、8.1 GHz的方向圖在60°到120°處E面輻射強(qiáng)度遞減，在90°處輻射強(qiáng)度最小，E面90°為E-Phi分量面。所以，E面平行靠近皮膚處的輻射被削弱了，從而減少了天線對(duì)人體的輻射傷害。

3 討論和結(jié)論

高艷艷等在天線和射頻前端之間添加帶阻濾波器，實(shí)現(xiàn)天線的陷波效果[5]。禇慶昕等使用具有陷波特性的傳輸線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線的陷波特性[6]。筆者選擇與文獻(xiàn)[7-9]中介紹的類似手段，通過改變天線結(jié)構(gòu)，影響天線的電流分布，達(dá)到天線陷波性能。

本研究通過在超寬帶天線的輻射貼片上開U形槽的辦法，實(shí)現(xiàn)超寬帶天線陷波特性。利用量子行為粒子群算法，分別對(duì)天線和U形槽的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使超寬帶天線帶寬和陷波特性達(dá)到最優(yōu)。在天線輻射貼片上開槽是最常用的陷波實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)節(jié)，且對(duì)阻抗匹配影響很小。筆者采用的量子行為粒子群算法是在粒子群優(yōu)化算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種算法，該算法具有全局收斂性、控制參數(shù)更少、收斂速度快、尋優(yōu)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。通過圖7可以看出，根據(jù)該算法優(yōu)化得到的參數(shù)仿真的天線回波損耗性能，能夠達(dá)到超寬帶陷波天線的性能指標(biāo)，運(yùn)用在超寬帶陷波天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)中是有效可行的。

這些成果意味著：在體域網(wǎng)的超寬帶陷波天線設(shè)計(jì)過程中，可以通過在天線輻射單元上開槽設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的超寬帶陷波天線；進(jìn)一步通過算法優(yōu)化天線尺寸，在軟件優(yōu)化的基礎(chǔ)上提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率和精準(zhǔn)度；根據(jù)這些成果，可以采用其他的高效優(yōu)化算法對(duì)超寬帶陷波天線尺寸進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到天線性能最優(yōu)。

在本課題中，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款適用于無線身體局域網(wǎng)的超寬帶陷波天線，利用U形槽實(shí)現(xiàn)天線陷波，采用量子行為粒子群算法分別對(duì)天線的尺寸和U形槽的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)制作了實(shí)物天線。通過對(duì)比仿真和測(cè)試結(jié)果表明，天線實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配效果，達(dá)到了超寬帶天線性能指標(biāo)，并且天線的全向性除了陷波點(diǎn)外都是比較好的，說明該種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是有效的。

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Optimization Design of UWB Band-Notched Antenna for Wireless Body Area Network

Luo Zhiyong1*Zhang Bin2Pang Yu3Hu Junfeng2

1(CollegeofAdrancedManufacturingEngineering,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)2(CollegeofAutomation,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)3(CollegeofOptoelectronicEngineering,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

Aiming at the band trap’s requirement in wireless body area network system (WBAN), a band-notched ultra wide band (UWB) antenna was designed and a U-shaped slot was opened on the radiation patch. The current distribution of the UWB antenna was changed for radiation patch with U-shaped slot. In addition, the narrow-band interference signal of WLAN (5.15～5.825 GHz) was inhibited by adjusting U-shaped slot’s dimension. Quantum-behaved particle swarm optimization (QPSO) was utilized to obtain the optimal parameters of antenna and fractal slot. The antenna was simulated by the HFSS simulation software and tested by Agilent N5230A network analyzer. The simulation and test results showed that the antenna has achieved a good impedance matching at 3.8 GHz, and the bandwidth was covering 3.1 GHz to 10.6 GHz. What’s more, the narrow-band interference signal of WLAN (5.15～5.825 GHz) was inhibited effectively and the antenna directivity has a good performance except the trap points. In conclusion, the optimization design method of UWB antenna is effective.

wireless body area network (WBAN) system; ultra wide band (UWB); U-shaped slot; quantum-behaved particle swarm optimization (QPSO)

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.007

2015-05-14， 錄用日期:2015-10-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(61471075)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAI11B00)

TN827.2

A

0258-8021(2015) 06-0686-07

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: luozy@cqupt.edu.cn