基于U形槽和開(kāi)口圓環(huán)的雙陷波超寬帶天線

童 波， 吳先良， 肖 龍， 張 量

(1.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601; 2.合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

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基于U形槽和開(kāi)口圓環(huán)的雙陷波超寬帶天線

童 波1， 吳先良1， 肖 龍1， 張 量2

(1.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601; 2.合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

文章設(shè)計(jì)了一種新穎的超寬帶天線,天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小并且具有雙陷波特性。在接地板上刻蝕1個(gè)半圓形口徑,該口徑帶有3個(gè)階梯形缺口,以此激發(fā)一個(gè)新的諧振頻率,從而拓展天線的阻抗帶寬;在方形輻射貼片上加載開(kāi)口圓環(huán),同時(shí)在饋線上開(kāi)U形槽，以獲得雙陷波特性。仿真和測(cè)試結(jié)果表明,該天線可以有效地抑制WiMax、C波段衛(wèi)星通信和WLAN 3種窄帶信號(hào)的干擾;對(duì)開(kāi)口圓環(huán)的參數(shù)研究表明,開(kāi)槽結(jié)構(gòu)能更靈活地控制陷波中心頻率;該天線在陷波頻段外具有良好的增益和全向輻射特性,滿(mǎn)足超寬帶通信系統(tǒng)的應(yīng)用。

超寬帶天線;雙陷波特性; 開(kāi)口圓環(huán);U形槽;全向輻射

自從2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission,FCC)將3.1～10.6 GHz的頻段分配給超寬帶通信系統(tǒng)[1]以后,超寬帶技術(shù)的研究在商業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展。然而,超寬帶天線的設(shè)計(jì)面臨著許多挑戰(zhàn),包括阻抗匹配、輻射穩(wěn)定性、緊湊尺寸、低制造成本和電磁干擾等問(wèn)題。其中,電磁干擾問(wèn)題最為嚴(yán)重,因?yàn)槌瑢拵ㄐ畔到y(tǒng)的工作頻段覆蓋了其他的窄帶通信頻段,如全球微波互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(WiMax,3.4～3.6 GHz)、C波段衛(wèi)星通信(3.7～4.2 GHz)和無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN,5.150～5.825 GHz)等其他通信系統(tǒng)。為了抑制這些頻段的電磁干擾,傳統(tǒng)方法是使用外接濾波器,但是研究者們更希望在超寬帶天線的基礎(chǔ)上引入一種陷波結(jié)構(gòu),為此,2003年Schantz提出了具有頻帶阻隔效應(yīng)的陷波天線[2]。

目前,國(guó)內(nèi)外已有很多文獻(xiàn)研究了具有陷波特性的超寬帶天線[3-11]。產(chǎn)生陷波的主要方式有3種，即加入匹配枝節(jié)[3-4]、引入寄生單元[5-6]及開(kāi)槽[7-11]。其中,加入匹配枝節(jié)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是由于枝節(jié)長(zhǎng)度有限,所以陷波頻率不能太低;引入寄生單元可能會(huì)增大天線輻射面的尺寸;而開(kāi)槽的方法不僅不會(huì)增加天線輻射面的尺寸,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)頻帶內(nèi)阻抗匹配影響小,因而被廣泛使用。文獻(xiàn)[7]提出了一種在矩形貼片上開(kāi)2個(gè)T形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)陷波特性,但只能得到1個(gè)陷波,不能同時(shí)避免來(lái)自不同通信系統(tǒng)的干擾;文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]分別通過(guò)在貼片上開(kāi)C形槽、U形槽和L形槽、E形槽得到雙陷波特性,但這些形狀的開(kāi)槽方式不能有效地控制陷波中心頻率;文獻(xiàn)[10]通過(guò)改進(jìn)互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)(complementary split-ring resonators,CSRR),使用單個(gè)方形CSRR得到雙陷波特性,但其陷波帶寬很窄,不能完全覆蓋干擾頻段;文獻(xiàn)[11]提出的圓弧狀H形槽雖然可以有效地控制陷波中心頻率,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,天線尺寸較大。

本文設(shè)計(jì)了一種基于U形槽和開(kāi)口圓環(huán)的雙陷波超寬帶天線。通過(guò)改變開(kāi)口圓環(huán)的多個(gè)參數(shù)來(lái)控制陷波的中心頻率,同時(shí)在饋線上開(kāi)U形槽使得天線具有雙陷波功能。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明,該天線在通帶頻段范圍內(nèi)(3.00～3.40 GHz、4.20～5.15 GHz和6.00～12.00 GHz)滿(mǎn)足電壓駐波比小于2,而在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2個(gè)陷波頻段內(nèi)電壓駐波比大于2。另外,該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小,在通帶內(nèi)具有全向輻射特性和穩(wěn)定的增益,使得該天線有一定的實(shí)際使用價(jià)值。

1 天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的雙陷波超寬帶天線如圖1所示。天線印制在相對(duì)介電常數(shù)為4.4、厚度為1 mm的FR4板上,由50 Ω微帶線進(jìn)行饋電。天線的基本結(jié)構(gòu)是由1個(gè)方形輻射貼片、1個(gè)饋線和1個(gè)接地板構(gòu)成。方形貼片的寬為L(zhǎng)t,連接著1個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)1和寬為W1的饋線。在介質(zhì)基板的另一面,放置1個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)和寬為W的導(dǎo)電接地平面。圖1中,r為開(kāi)口圓環(huán)的外半徑;θ為開(kāi)口兩邊的夾角;g為開(kāi)口圓環(huán)外半徑與內(nèi)半徑之間的間距。

圖1 雙陷波超寬帶天線

從天線的正面看,通過(guò)引入開(kāi)口圓環(huán)和U形槽天線具有了雙陷波特性。從原理上說(shuō),開(kāi)口圓環(huán)和U形槽的引入相當(dāng)于在天線中引入1個(gè)半波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu),其總長(zhǎng)度可用(1)式近似計(jì)算,即

(1)

其中,fnotch為陷波處的中心頻率;c為光速;εr為介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)。天線結(jié)構(gòu)中各參數(shù)的具體尺寸見(jiàn)表1所列。

表1 雙陷波超寬帶天線參數(shù)尺寸 mm

為了觀察加入開(kāi)口圓環(huán)和U形槽后天線的電壓駐波比變化,利用電磁仿真軟件HFSS 13.0對(duì)天線電壓駐波比進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如圖2所示。

圖2 加入縫隙前后天線的電壓駐波比

由圖2可知,天線加入開(kāi)口圓環(huán)和U形槽后,在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2個(gè)頻段內(nèi)產(chǎn)生了陷波。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 開(kāi)口圓環(huán)參數(shù)的研究

為了獲得3.4～4.2 GHz的陷波,在方形的輻射貼片上加載1個(gè)開(kāi)口圓環(huán),開(kāi)口圓環(huán)的引入會(huì)改變天線的電流分布,從而實(shí)現(xiàn)陷波功能。

為了研究開(kāi)口圓環(huán)各參數(shù)對(duì)陷波結(jié)果的影響及影響的程度,保持其他參數(shù)不變,對(duì)開(kāi)口圓環(huán)的參數(shù)逐一研究,結(jié)果如圖3所示。

圖3 開(kāi)口圓環(huán)不同參數(shù)下的電壓駐波比

由圖3可知,參數(shù)r僅改變0.2 mm,陷波的中心頻率就明顯發(fā)生變化,而且隨著r的增加,陷波將向低頻位置移動(dòng),這與(1)式吻合;隨著角度θ的增加,每次增加4°,陷波將向高頻位置移動(dòng),陷波深度也會(huì)增加,但變化并不明顯;隨著內(nèi)外環(huán)間距g的增加,每次增加0.1 mm,陷波將向高頻位置移動(dòng),陷波帶寬增加,陷波深度也增加。最終,通過(guò)不斷的仿真優(yōu)化，將開(kāi)口圓環(huán)的各參數(shù)設(shè)定為r=4 mm,g=0.2 mm,θ=5°。

通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn),開(kāi)口圓環(huán)參數(shù)r和g對(duì)結(jié)果影響較大,參數(shù)θ對(duì)結(jié)果影響較小,這樣就可以靈活地調(diào)整各參數(shù),達(dá)到理想的結(jié)果。因此,開(kāi)口圓環(huán)應(yīng)用于陷波當(dāng)中更有優(yōu)勢(shì)。

2.2 天線陷波原理

為了解釋陷波產(chǎn)生的原因以及確認(rèn)開(kāi)口圓環(huán)和U形槽與2個(gè)陷波頻段對(duì)應(yīng)的關(guān)系,采用HFSS 13.0對(duì)天線的表面電流進(jìn)行計(jì)算,觀察其電流變化。分別對(duì)3.85 GHz和5.50 GHz 2個(gè)陷波中心頻率進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖4所示。

圖4 2個(gè)陷波點(diǎn)的表面電流分布

由圖4a可以看出,當(dāng)天線工作在3.85 GHz時(shí),輻射貼片上的表面電流主要集中在開(kāi)口圓環(huán)周?chē)?此時(shí)天線在開(kāi)口圓環(huán)處呈駐波狀態(tài),無(wú)法正常工作;由圖4b可以看出,當(dāng)天線工作在5.50 GHz時(shí),輻射貼片上的表面電流主要集中在U形槽周?chē)?此時(shí)天線在U形槽處呈駐波狀態(tài),無(wú)法正常工作。

為了進(jìn)一步確認(rèn)開(kāi)口圓環(huán)和U形槽與2個(gè)陷波頻段對(duì)應(yīng)的關(guān)系,使用電路模型進(jìn)行解釋[12]。天線的電路等效模型如圖5所示。

圖5 天線的電路等效模型

圖5a為天線加入開(kāi)口圓環(huán)和U形槽的等效電路模型;圖5b為天線工作在通帶的等效電路模型;圖5c為天線工作在3.40～4.20 GHz陷波頻段的等效電路模型;圖5d為天線工作在5.15～6.00 GHz陷波頻段的等效電路模型。

當(dāng)天線工作在通帶頻段時(shí),天線的輸入阻抗并不會(huì)發(fā)生變化,它與加入陷波結(jié)構(gòu)前的輸入阻抗一樣。當(dāng)天線工作在3.40～4.20 GHz的陷波頻段時(shí),引入的開(kāi)口圓環(huán)會(huì)改變天線的輸入阻抗，其原理為:當(dāng)引入開(kāi)口圓環(huán)后相當(dāng)于在電路中串聯(lián)了一個(gè)并聯(lián)的LC諧振電路,當(dāng)LC諧振電路發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí),天線輸入阻抗變得很大,這時(shí),電路呈現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài),天線在輸入端呈現(xiàn)很大的反射系數(shù),天線呈駐波狀態(tài),無(wú)法正常工作,即產(chǎn)生了陷波功能。而當(dāng)天線工作在5.15～6.00 GHz的陷波頻段時(shí),引入的U形槽會(huì)改變天線的輸入阻抗，其原理為:當(dāng)引入U(xiǎn)形槽后相當(dāng)于在電路中并聯(lián)了一個(gè)串聯(lián)的LC諧振電路,當(dāng)LC諧振電路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí),天線輸入阻抗變得很小,這時(shí),電路呈現(xiàn)短路狀態(tài),天線在輸入端也呈現(xiàn)很大的反射系數(shù),天線呈駐波狀態(tài),無(wú)法正常工作,產(chǎn)生了陷波功能。

2.3 天線實(shí)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)以上試驗(yàn)研究得出的數(shù)據(jù),加工了天線實(shí)物,如圖6所示。

圖6 天線實(shí)物

利用Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試,將得到的電壓駐波比與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,天線在通帶頻段范圍內(nèi)滿(mǎn)足電壓駐波比小于2,而在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2個(gè)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了陷波;實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果存在微小誤差，主要是因?yàn)閷?shí)際的FR4介質(zhì)板的介電常數(shù)會(huì)在4.2～4.7之間波動(dòng),另外加工精度、介質(zhì)板的損耗以及SMA接頭也會(huì)有一定的影響。

圖7 雙陷波超寬帶天線的電壓駐波比

天線加入開(kāi)口圓環(huán)和U形槽后的增益如圖8所示。從圖8可以看出,天線在整個(gè)通帶頻段內(nèi)增益穩(wěn)定,而在2個(gè)陷波頻段處,增益急劇下降,表明天線在此頻段將無(wú)法工作。從增益角度來(lái)看,該天線在通帶內(nèi)能穩(wěn)定工作,而在陷波處無(wú)法工作。

圖8 雙陷波超寬帶天線的增益

超寬帶天線工作在3.1～10.6 GHz,與普通的天線相比工作帶寬極寬,因此必須考察天線在整個(gè)通帶內(nèi)是否具有全向輻射特性。選取4.5、6.5、8.0 GHz 3個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行仿真,其歸一化方向圖如圖9所示。

圖9 雙陷波超寬帶天線的輻射方向圖

從圖9可以看出,天線在3個(gè)頻點(diǎn)處的H面(x-z)方向圖近似為一個(gè)圓,而E面(y-z)方向圖與偶極子天線類(lèi)似。測(cè)試和仿真結(jié)果表明該天線具有全向輻射特性,滿(mǎn)足超寬帶通信系統(tǒng)的工作要求。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新穎的雙陷波超寬帶天線。通過(guò)在輻射貼片上加載開(kāi)口圓環(huán)以及在饋線上開(kāi)U形槽得到雙陷波特性。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小,在通帶內(nèi)能夠穩(wěn)定地工作,而在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2個(gè)頻段產(chǎn)生陷波,有效地抑制了WiMax、C波段衛(wèi)星通信和WLAN 3種窄帶信號(hào)的干擾。對(duì)開(kāi)口圓環(huán)的各參數(shù)進(jìn)行研究,結(jié)果表明這種陷波結(jié)構(gòu)可以靈活地控制陷波中心頻率。此外,通過(guò)電流密度分布圖和電路原理解釋了陷波頻段與開(kāi)口圓環(huán)和U形槽的關(guān)系。最后,本文對(duì)所設(shè)計(jì)的天線加工制作并測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,表明了該天線具有較好的陷波特性和輻射特性,能夠應(yīng)用于實(shí)際。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Dual band-notched ultra-wideband antenna based on U-shaped slit and split ring slot

TONG Bo1, WU Xianliang1, XIAO Long1, ZHANG Liang2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China; 2.School of Electronics and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230601, China)

In this paper, a novel ultra-wideband(UWB) antenna is designed, which has the properties of simple structure, small size and dual band-notched function. By etching a semi-circle-shaped aperture with three notched-steps on the ground, additional resonance is excited, and hence much wider impedance bandwidth can be produced. To generate the dual band-notched characteristic, a split ring slot is employed on the radiation element and a U-shaped slit is added on the microstrip line. The results of simulation and measurement show that the proposed antenna efficiently restrains the interference from narrow-band communication system, including WiMax, C-band satellite communication and WLAN. The parametric study of the spilt ring slot indicates that this structure can more flexibly control the central frequency of notched band. In addition, the designed antenna achieves a good gain and exhibits omnidirectional radiation patterns except at notched band, which make it suitable for UWB applications.

ultra-wideband(UWB) antenna; dual band-notched characteristic; split ring slot; U-shaped slit; omnidirectional radiation

2015-05-18；

2015-07-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61471001)

童 波(1989-)，男，安徽六安人，安徽大學(xué)碩士生；

吳先良(1955-)，男，安徽亳州人，安徽大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.014

TN822.8

A

1003-5060(2016)09-1220-06