新型雙陷波超寬帶印刷天線設計

林　滑，余厲陽，孟凡亮，談　琦

(杭州電子科技大學電子信息學院，浙江 杭州 310018)

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新型雙陷波超寬帶印刷天線設計

林滑，余厲陽，孟凡亮，談琦

(杭州電子科技大學電子信息學院，浙江 杭州 310018)

提出一種新型的具有雙陷波特性的印刷超寬帶單極子天線.通過Y型結構饋電，采用輻射貼片切角和弧形地等手段來拓寬天線帶寬，刻蝕縫隙來產(chǎn)生陷波特性，并通過調(diào)整縫隙的長度和位置來改變陷波頻率.用26.4 mm×25 mm的FR4板制成實物，使用安捷倫矢量網(wǎng)絡分析儀E8363B測試.測試結果表明，天線在3～16.9 GHz頻段內(nèi)的駐波比小于2，在3.3～4.0 GHz和4.8～6.0 GHz頻段內(nèi)產(chǎn)生陷波.最后，仿真和實測數(shù)據(jù)表明，該天線具有結構簡單、制造容易、對稱性好、帶寬大等優(yōu)點.

陷波特性；輻射模式；單極性天線；高頻干擾

0　引　言

2002年，美國聯(lián)邦通信委員會批準將3.1～10.6 GHz用于商用的超寬帶通信系統(tǒng).超寬帶通信系統(tǒng)應用于短距離通信和遙感，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、頻譜功率密度低、測距精度高、成本低、復雜度低等優(yōu)點，因而在無線通信領域引起了廣泛重視.

超寬帶通信系統(tǒng)的關鍵技術在于設計一種結構緊湊且具有寬帶特性的天線.早期的超寬帶天線有文獻[1]提出的雙錐形結構和文獻[2]提出的圓形貼片結構.文獻[3]利用了三叉形結構和錐形阻抗變壓器，使其電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)小于2，頻率范圍為2.75～16.2 GHz.然而，超寬帶系統(tǒng)的工作頻率往往會對當前的無線通信系統(tǒng)造成干擾.雖然空間濾波器可以抑制干擾信號，但占用了較大的空間.10.6 GHz以下的系統(tǒng)采用具有陷波特性的超寬帶天線，可以避免頻譜沖突[3-6].而天線的陷波特性通常利用嵌入縫隙的方法來實現(xiàn)[7].

本文采用嵌入縫隙的方法，設計一種具有雙陷波特性的超寬帶天線，有效地避免與WiMAX和WLAN通信信號產(chǎn)生的干擾，實測效果良好.

1　天線結構分析

圖1所示為3種常見的天線結構，并設計了相關尺寸.其中超寬帶天線采用Y型弧結構饋電，以及輻射貼片切角和弧形接地板等設計手段.

利用MICROWAVE STUDIO進行仿真，得到仿真結果如圖2所示.由圖2可知，矩形單極印刷天線的阻抗帶寬小.由于錐形天線在較大的一段頻率范圍內(nèi)輸入阻抗變化小[1]，帶切角的單極印刷天線的頻率覆蓋范圍可達到2.9～13.6 GHz，VSWR<1.5.而無陷波特性的超寬帶天線的頻率覆蓋范圍為2.5～18 GHz，VSWR<2.因此采用超寬帶天線結構，可以大大地拓展天線的頻率覆蓋范圍.

圖1　3種帶天線結構及相關尺寸參數(shù)(單位：mm)

圖2　3種天線結構的回波損耗仿真結果

2　天線設計

為拓寬天線的帶寬，采用圖1(c)所示結構，并通過在輻射貼片增加2個縫隙(即縫隙1和縫隙2)產(chǎn)生陷波，實現(xiàn)雙陷波特性.輻射貼片上的每個縫隙相當于1個LC諧振電路，且其品質因數(shù)Q值很大[6-7].天線的阻抗特性在諧振頻率點上發(fā)生改變，并產(chǎn)生陷波特性，且縫隙總長度約為陷波中心、頻率波長的一半.因此調(diào)節(jié)縫隙總長度可以改變諧振頻率，并在特定的頻率段實現(xiàn)陷波.

由于電流存在邊緣效應，令縫隙1盡量靠近貼片的下邊緣位置，可在陷波頻率范圍產(chǎn)生強烈的共振，實現(xiàn)較好的陷波效果.不斷調(diào)整縫隙2在輻射貼片上的位置，可以發(fā)現(xiàn)當縫隙2靠近貼片上邊緣時，3.5 GHz陷波處的VSWR增大，而5.5 GHz陷波處的VSWR減小，如圖3所示.相反，當縫隙2靠近縫隙1時，5.5 GHz陷波處的VSWR增大，3.5 GHz陷波處的VSWR減小.因此，為保證這2個陷波頻段上的整體效果，令y=5.6 mm.

圖3　縫隙2的位置變化對陷波特性的影響

綜上得到雙陷波超寬帶天線的結構示意圖如圖4所示，圖中用字母變量表示天線各部分結構的尺寸，其中形如(A,B)的參數(shù)表示以(0,0)點為原點的各個圓弧形結構的圓心坐標.天線最優(yōu)的尺寸參數(shù)設計如表1所示.

圖4　具有雙陷波特性的超寬帶天線結構圖

3　仿真與實測

對天線頻率覆蓋范圍內(nèi)的駐波比進行仿真，得到仿真如圖5所示.圖5(a)中，天線的帶寬較寬，頻率覆蓋范圍達到3～16.9 GHz，具有陷波特性的天線在3.3～4.0 GHz和4.8～6.0 GHz頻段處產(chǎn)生陷波.在天線頻率覆蓋范圍內(nèi)，其駐波比由輸入阻抗決定.如圖5(b)所示，天線在3.5 GHz頻率點附近，輸入阻抗小(實部接近于0，虛部為0)，在5.5 GHz頻點附近，輸入阻抗值的實部達到最大值，虛部為0.因此天線在這2個頻率點及其附近有嚴重的阻抗失配，形成陷波且效果良好.

圖5　雙陷波超寬帶天線仿真圖

表面電流的分布情況如圖6所示.在3.5 GHz陷波處，表面電流主要分布在縫隙2附近；在5.5 GHz陷波處，表面電流主要分布在縫隙1附近.此時，縫隙相當于一個諧振器，起到濾波功能，這使天線在3.5 GHz和5.5 GHz附近的輻射效率大大下降并實現(xiàn)陷波.

圖6　不同頻段上雙陷波超寬帶天線的表面電流分布仿真圖

綜上所述，仿真實驗表明該天線陷波效果良好，可以有效地避免與WiMAX和WLAN通信信號產(chǎn)生干擾.該天線不僅可以作為超寬帶天線，而且可以在多個頻段內(nèi)接收、發(fā)送信息.

根據(jù)圖4和表1制作具有雙陷波特性的超寬帶天線.采用成本較低的FR4基板，基板厚度為1.6 mm，大小為26.4 mm×25 mm，其相對介電常數(shù)εr=4.3，損耗因數(shù)為0.02.微帶線寬度設為3 mm，其特性阻抗為50 Ω.并在天線測試暗室內(nèi)對超寬帶天線的性能進行測試.

利用安捷倫矢量網(wǎng)絡分析儀E8363B得到該天線的駐波比實測值，并與仿真值進行比較.結果表明雙陷波超寬帶天線的實測結果與仿真結果基本一致，導致細微誤差的原因可能出現(xiàn)在加工過程中，如加工導致介質板的介電常數(shù)改變和厚度不均勻、表面加工誤差等.圖7(a)表明天線的實測頻率覆蓋范圍為3.0～16.9 GHz，在3.3～4.0 GHz和4.8～6.0 GHz產(chǎn)生陷波，且其陷波效果比預計的更好.由圖7(b)可知陷波頻段內(nèi)天線的增益明顯下降，可以有效地抑制與WLAN和WiMAX通信信號產(chǎn)生干擾.

圖7　雙陷波超寬帶天線的實測參數(shù)

此外，圖8分別表示3個頻率點4.5 GHz，10 GHz，15 GHz上的E面和H面方向圖.可以看出，天線在H面上幾乎為全向輻射模式.而在E面，隨著頻率的增加，天線輻射信號出現(xiàn)一定的失真.因此，可以認為該天線在超寬帶范圍內(nèi)具有良好的輻射特性.

圖8　雙陷波超寬帶天線實測方向圖

4　結束語

針對超寬帶通信系統(tǒng)提出了一種新型小型化的具有雙陷波特性的超寬帶天線.采用Y型弧結構饋電，同時利用輻射貼片切角和弧形接地板等設計手段將超寬帶天線頻率覆蓋范圍擴展到3.0～16.9 GHz.采用刻蝕縫隙的方式，在3.1～3.7 GHz和5～5.8 GHz實現(xiàn)陷波特性，避免了WiMAX和WLAN通信信號的干擾.作為一種多頻段收發(fā)的超寬帶天線，滿足移動終端多頻段通信的要求，達到了天線阻抗帶寬和方向性的使用要求，具有較強的實用性.

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Design and Analysis of a New Printed Ultra-wideband Antenna with Dual Band-notched Characteristics

LIN Hua,YU Liyang, MENG Fanliang, TAN Qi

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

This paper presents a new printed ultra-wideband(UWB) monopole antenna with band-notched characteristics. The antenna is fed by arc shaped Y structure, which is etched on an FR4 substrate with the size of 26.4 mm*25 mm. To broaden the bandwidth by the way of radiation patch cutting angle and arc treatment on the ground. The band-notched characteristic implemented by etching slots, and the band-notched frequency is adjustable with the total length of the slots. We test the antenna with an Agilent vector network analyzer E8363B. The result shows that the voltage standing wave ratio(VSWR) is less than 2 in the 3.0 GHz and 16.9 GHz range.The band-notched characteristic can be observed in the range of 3.3 to 4.0 GHz and 4.8 to 6.0 GHz. The simulation and experimental results show that the antenna has the advantages of simple structure, easy manufacture, good symmetry and wide bandwidth.

band-notched characteristics; radiation patterns; monopole antenna; radio frequency interference

10.13954/j.cnki.hdu.2016.05.002

2016-03-18

林滑(1992-)，女，浙江臺州人，碩士研究生，射頻技術.通訊作者：余厲陽副教授，yuliyang@hdu.edu.cn.

TN821

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1001-9146(2016)05-0006-05