新型陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)

張 凡，潘 錦

(電子科技大學(xué) 軟件工程，四川 成都 611731)

從美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)于2002 年規(guī)范統(tǒng)一商業(yè)應(yīng)用中的超寬帶通信的帶寬為3.1 ～10.6 GHz 開(kāi)始［1］，這一領(lǐng)域受到工業(yè)和學(xué)術(shù)界越來(lái)越多的矚目。然而由于這一頻段內(nèi)已存在許多其他通信系統(tǒng)的工作頻段，諸如工作在3.3 ～3.7 GHz 的WiMAX 系統(tǒng)和工作在7.25 ～8.395 GHz 處的X－band 衛(wèi)星通信系統(tǒng)等，如何使UWB(Ultra－Wideband)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間無(wú)干擾地工作成為了一個(gè)重要課題。其中具有陷波特性的超寬帶天線由于其結(jié)構(gòu)緊湊，使越來(lái)越多的研究人員將關(guān)注點(diǎn)集中在這一方向上，且由此誕生了一系列成果。

通過(guò)在超寬帶天線上增加諧振結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)陷波超寬帶的基本方案。許多結(jié)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，如在貼片上開(kāi)縫［2－4］，在貼片周?chē)黾咏饘贄l帶［5－6］，在饋電結(jié)構(gòu)上增加諧振結(jié)構(gòu)［7－8］，或是結(jié)構(gòu)上添加一段短路短截線［9］，或者有學(xué)者將多個(gè)結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了多阻帶的特性［10－11］。然而眾多設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)都只能由一個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單個(gè)阻帶的覆蓋，本文提出一種新的結(jié)構(gòu)可在僅增加一個(gè)結(jié)構(gòu)的前提實(shí)現(xiàn)雙陷波特性。這一結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)較好的阻帶特性并具有一定的可調(diào)節(jié)性，具有良好的應(yīng)用前景。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)及原理

新型陷波超寬帶天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該超寬帶天線腐蝕在介電常數(shù)為2.2，厚度0.8 mm 的Rogers RT/duroid 5880(tm)介質(zhì)板上天線的尺寸為L(zhǎng)×W=45 mm×35 mm，共面波導(dǎo)傳輸線與地板的間隔W1=0.2 mm，寬度W2=3.5 mm，特性阻抗50 Ω。無(wú)金屬條帶的原始天線具有良好的超寬帶特性，通過(guò)調(diào)節(jié)地板尺寸和貼片的大小可在一定程度上改變阻抗匹配特性。

為了引入雙阻帶特性，在超寬帶天線背面增加了一個(gè)不等寬的金屬條帶，結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

在經(jīng)典文獻(xiàn)中，一部分學(xué)者通過(guò)在天線背側(cè)增加金屬條帶，可使貼片中的一部分能量耦合到金屬條帶上，尤其是對(duì)于特定的頻率，貼片耦合到金屬條帶的能量會(huì)大幅增加，進(jìn)而影響天線的輻射性能，導(dǎo)致陷波特性產(chǎn)生。但由于文獻(xiàn)中多數(shù)只提到利用等寬的金屬條帶。一般而言，考慮介電常數(shù)的情況下結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)為對(duì)應(yīng)1/2 波長(zhǎng)的整數(shù)倍，其第一高次諧波所在位置處于基次諧振的諧振頻率的約2 倍及3 倍處，如圖2 所示。

圖2 等寬金屬條帶的結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)超寬帶天線的S11

當(dāng)考慮到為在適當(dāng)頻率引入第二阻帶時(shí)，本文采取了改變金屬條帶部分的線寬的方式實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，如圖1(b)通過(guò)引入不等寬的金屬條帶可改變高次諧振的頻率與低次諧振頻率的比值。再通過(guò)微調(diào)天線的和金屬條帶的尺寸參數(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)定要求的雙帶阻超寬帶天線的設(shè)計(jì)要求。

1.2 天線結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)

采用美國(guó)Ansoft 公司的三維電磁仿真軟件HFSS13.0建立天線模型來(lái)進(jìn)行仿真對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到尺寸:H=21.15 mm，r_strip=14 mm，γ=20.5°，α=2×28.7°，D2=0.55 mm，D1=1.6 mm。

2 天線參數(shù)分析

用HFSS 仿真，結(jié)果如圖3 所示。從回波損耗可看出，超寬帶天線滿足通信系統(tǒng)對(duì)超寬帶頻帶的要求，其中可看到陷波超寬帶天線的S11主要指標(biāo)與要求的誤差分析如表1 所示。由于所有的誤差都控制在5%以內(nèi)，可認(rèn)為天線較好地實(shí)現(xiàn)了阻帶的功能。

圖3 優(yōu)化后天線的S11曲線

表1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)與超寬帶通信規(guī)定頻段間的誤差

為進(jìn)一步研究陷波結(jié)構(gòu)，對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行分析。天線的阻帶特性主要由以下參數(shù)決定:金屬條帶各個(gè)小節(jié)的角度α，及陷波單元結(jié)構(gòu)寬邊長(zhǎng)度D1。圖4 為天線的諧振結(jié)構(gòu)在不同頻率下的電流分布，可看到在兩個(gè)阻帶處諧振單元恰好處于兩個(gè)不同的諧振狀態(tài)。而如圖5顯示隨α 減小阻帶的諧振頻率上升。參數(shù)D1決定了低頻與高頻間的比值，在α 一定的情況下，可調(diào)節(jié)天線輻射頻率的比值，如圖6 所示。同時(shí)改變H 和γ 可改變輻射天線的耦合強(qiáng)度，進(jìn)而改變天線阻帶帶寬。綜合以上方法，即可調(diào)節(jié)出符合通信要求的陷波超寬帶天線。

圖4 天線的諧振結(jié)構(gòu)在不同頻率下的電流分布

圖5 天線S11隨α 變化的曲線

圖6 天線S11隨D1 變化的曲線

天線在4 GHz 的遠(yuǎn)場(chǎng)增益方向圖，如圖7 所示，表明如上設(shè)計(jì)的天線在H 面具有良好的全向輻射特性，且不圓度較好。

圖7 天線在4 GHz 時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)增益方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用一種新的諧振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙阻帶的超寬帶天線。除了在要求屏蔽的WiMAX 頻段(3.3 ～3.7 GHz)以及X 頻段的衛(wèi)星通信下行頻段(7.25 ～8.395 GHz)，回波損耗S11在整個(gè)頻段＜－10 dB。該天線結(jié)構(gòu)新穎，具有良好的可調(diào)節(jié)性，且具有較好的水平全向輻射性能。

［1］ FCC.FCC 02－48，new public safety applications and broadband internet access among uses envisioned by FCC authorization of ultra－wideband technology［S］.Washington D C:Federal Communications Commission，2002.

［2］ Chu Q X，Yang Y Y.A compact ultrawideband antenna with 3.4/5.5 GHz band－notched characteristics［J］.IEEE Transactions on Antennas Propagation，2008，56(12):3637－3644.

［3］ Gayathri R，Jisney T U，Krishna D D，et al.Band－notched inverted－cone monopole antenna for compact UWB systems［J］.Electronics Letters，2008，44(20):1170－1171.

［4］ Qu S W，Li J L，Xue Q.A band－notched ultrawideband printed monopole antenna［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Letters，2006(5):495－498.

［5］ Abbosh A M，Bialkowski M E.Design of UWB planar bandnotched antenna using parasitic elements［J］.IEEE Transactions on Antennas Propagation，2009，57(3):796－799.

［6］ Kim K H，Park S O.Analysis of the small band－rejected antenna with the parasitic strip for UWB［J］.IEEE Transactions on Antennas Propagation，2006，54(6):1688－1692.

［7］ Zhang Y，Hong W，Yu C，et al.Planar ultrawideband antenna with multiple notched bands on etched slots on the patch and/or split ring resonators on the feed line［J］.IEEE Transactions on Antennas Propagation，2008，56(9):3063－3068.

［8］ Zhang Y，Hong W，Yu C，et al.A compact multiple bands notched UWB antenna by loading SIR and SRR on the feed line［C］.Nanjing:International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology，2008:198－201.

［9］ Peng G，Ling X，Jianbo D，et al.Compact printed wide－slot UWB antenna with 3.5/5.5 GHz dual band－notched characteristics［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagationg to Letters，2013(12):983－986.

［10］Zhou H J，Sun B H，Liu Q Z，et al.Implementation and investigation of U－shaped aperture UWB antenna with dual band－notched characteristics［J］.Electronics Letters，2008，44(24):1387－1388.

［11］Jang J W，Hwang H Y.An improved band－rejection UWB antenna with resonant patches and a slot［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Letters，2009(8):299－302.