平面小型化雙陷波天線設計

劉阿玄,陳 蕾,鐘顯江,劉淑芳

(西安電子科技大學天線與微波技術國家重點實驗室,陜西西安 710071)

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平面小型化雙陷波天線設計

劉阿玄,陳 蕾,鐘顯江,劉淑芳

(西安電子科技大學天線與微波技術國家重點實驗室,陜西西安 710071)

本文設計了一種具有雙頻陷波特性的小型化平面單極子天線．該天線由開有π型與W型縫隙的輻射貼片和一對L型分支組成．L型分支的作用是能夠激勵額外諧振,從而增加阻抗帶寬,π型和W型縫隙能夠實現(xiàn)雙陷波特性．該天線可以實現(xiàn)超過130%的帶寬(2.77～13.62 GHz),最大的特點是具有12×18×1.6 mm3的小型化尺寸．最終的仿真和測試結果顯示其在整個超寬帶頻段內具有良好的陷波特性、增益和全向輻射特性．

小型化;單極子天線;雙陷波性能;超寬帶應用

1 引言

自從2004年美國聯(lián)邦通信協(xié)會(FCC)發(fā)布了3.1～10.6GHz可用于商業(yè)通信的超寬帶頻帶[1],該頻帶得到了廣泛的關注[2]．在超寬帶(UWB,Ultra-WideBand)通信系統(tǒng)中,關鍵的技術就是設計一種可以覆蓋整個工作頻段,實現(xiàn)寬帶特性的天線．由于單極子天線具有結構簡單、尺寸小、成本低等優(yōu)點,因此其可被用于大量的研究中以設計成不同的結構[3,4]．

UWB的頻率范圍為3.1～10.6 GHz,在該范圍內會對已存在的無線通信系統(tǒng)造成干擾,比如WiMAX(3.3～3.6GHz)、C頻段(3.7～4.2GHz)和WLAN(5.2～5.8GHz),所以具有單頻陷波或者雙頻陷波特性的超寬帶天線非常重要．近些年研究出了很多可以形成陷波特性的單極子天線,最為廣泛的方法就是在貼片上或者地板上開槽,比如U型槽、C型槽[5～8]．還有一種形成陷波的方法是在輻射單元或地板附近引入寄生帶線[9～12],但是由于其體積大、結構復雜的缺點導致加工成本的增加和天線難以集成．

本文將介紹一種平面小型化雙陷波天線．首先,由兩個L型分支組成的饋線能夠獲得更寬的帶寬,并且可以覆蓋整個UWB頻帶．然后在輻射貼片上開W型縫隙形成單陷波特性,最后開π型縫隙,最終產生雙陷波特性．本文中所設計的天線與其他陷波天線相比最具特點的地方在于尺寸小、帶寬寬,并且在未使用寄生貼片的情況下在2.77～13.62GHz頻段產生雙陷波,并且呈現(xiàn)出良好的增益和輻射特性．本文中所設計天線的最大優(yōu)點為小型化,表1為近兩年有關雙陷波天線的文章對比．

表1 與近兩年相關文章的對比 單位(mm3)

2 天線模型

本文所設計的天線由50Ω微帶線饋電,印制在介電常數(shù)為4.4、尺寸為 12×18×1.6mm3的FR4介質板上,如圖1所示．天線的主要結構包括矩形輻射貼片、雙L型分支的饋線和地板．介質板背面是寬為Wsub,長為Lgnd的導體地板．天線結構各參數(shù)的最終結果在表2中．

表2 天線結構尺寸表 單位(mm)

參數(shù)WsubLsubhsubWfLfWL尺寸12181.6271010參數(shù)WcLcWc1WsWs1Ws2Ls尺寸7.95.812.42.61.45.5參數(shù)Ls1Ls2Ls3Wf1Wf2Lf1Lgnd尺寸6.34.30.520.41.33.5

2.1 UWB天線設計

天線通過增加L型枝節(jié)可以來提高阻抗帶寬,如圖2所示[9]．圖3是圖2中三種不同天線所對應的S11特性仿真圖．如圖3所示,通過一對L型枝節(jié)可以拓展低頻段與高頻段的帶寬,最終使得天線覆蓋范圍達2.77～12.67GHz．

2.2 具有雙陷波特性的UWB天線

因為對所存在的無線通信系統(tǒng)容易造成干擾(比如WiMAX、C波段和WLAN),因此具有單頻陷波和雙頻陷波功能的UWB天線顯得尤為重要．如圖4所示,首先為了在3.4～4.5GHz波段內產生較大的反射系數(shù),因此在輻射貼片上開W型縫隙．在第一個陷波頻率3.8GHz處,電流集中在天線結構的內外表面,因此產生了單陷波頻率．然后為了在5.2～5.8GHz頻段也產生陷波,則在輻射貼片上開π型縫隙,最終可以實現(xiàn)雙陷波功能．

如圖4(c)中所示,W型縫隙和π型縫隙可以擾亂諧振響應并且可以起到半波長諧振結構的作用．因此只需要調節(jié)他們的尺寸就可以得到想要的陷波特性．縫隙(L1,2)的尺寸可以由以下公式進行計算:

(1)

(2)

式中c為自由空間中的光速,εr是介質板的介電常數(shù),εeff為有效介電常數(shù),fnotch為陷波頻段的中心頻率．在設計最初我們可以用式(1)計算得出縫隙總長度的參考值,然后再對天線結構進行調節(jié)得到最終結果．

如圖5所示,為兩個陷波分開時的駐波比,第一個陷波頻段為3.47～4.48GHz,是由W型縫隙產生的,其表面電流分布如圖6(a)所示,電流聚集在縫隙的內外邊緣處,因此在陷波頻率附近產生高衰減．如圖5(b)所示,第二個陷波頻段為5.24～5.86GHz,是由π型縫隙產生的,其表面電流分布如圖6(b)所示．最后,圖7為本文天線的駐波比結果,由圖可知該天線產生了雙陷波特性,并且可用帶寬超過了130%(2.77～13.62GHz)．

3 結果和討論

為了討論縫隙的尺寸參數(shù)對天線性能的影響情況,其討論結果如圖8所示．使用HFSS軟件對天線進行仿真．

如圖8所示,圖中是縫隙為不同尺寸時的駐波比．這五種情況分別規(guī)定為表3中的1、2、3、4和5．情況2和3改變了π型縫隙的尺寸,如圖可知對低頻影響較小,第一個陷波頻率都在3.8GHz,但是對高頻影響較大,所以π型縫隙的尺寸影響高頻．情況4和5改變了W型縫隙的尺寸,由圖可知對低頻影響較大,對高頻基本無影響．因此,兩個縫隙相互獨立并且之間無影響．所以,相比較于其它天線,本文所設計的天線可以僅僅調節(jié)兩個相對獨立的縫隙便可得到所需要的陷波特性．

表3 縫隙不同尺寸的5種情 單位(mm)

情況WcLcLsLs117.95.85.56.3275.85.56.337.95.35.56.347.95.84.56.357.95.85.55.8

為了清楚多諧振和雙陷波特性,如圖9所示為輻射貼片表面電流分布圖,圖9(a)～(c)分別為頻率為3.4GHz,4.8GHz和12.7GHz的電流分布情況．圖9(a)和圖9(b)中的電流分別主要集中在W型縫隙的內外邊緣和π型縫隙的內外邊緣,從而形成了諧振頻率,天線在這些頻點的阻抗變化是由諧振特性所決定的．由圖9(c)我們看到產生了一個新的12.7GHz額外諧振頻率,電流聚集在饋線上,產生這樣結果的原因主要是因為該天線結構改變了輸入阻抗的電容和電感,同時兩個L型分支也增加了表面電流路徑,三個諧振模式互相耦合從而提高了阻抗帶寬．

對本文所設計的天線模型進行實物加工及測試,圖10(a)為天線的駐波特性圖．加工后的天線的頻帶為2.77～13.62GHz,兩個被抑制的頻段在3.44～4.24GHz和5.26～6.12GHz．測試結果與預期結果的差異主要在于天線的制造誤差和介質板的介電常數(shù)．除此,加工過程中也應該考慮到焊接的精確度．天線增益的仿真和測試結果如圖10(b)所示,天線在3.8GHz和5.57GHz的增益分別為-6.8dB和-5.3dB,所對應的口徑效率分別為49.5%和32.9%,在非陷波頻段增益大于零比較穩(wěn)定．

圖11所示,為天線E面和H面方向圖的測試結果(左側為E面,右側為H面),可以看出天線在整個帶寬內的輻射特性．在E面,輻射方向圖在非常寬的頻帶內具有雙向性．H面,輻射方向圖在三個頻點處是全向的．

4 結論

本文設計了一種能夠產生單陷波和雙陷波功能且具有寬帶特性的單極子天線．該天線結構簡單緊湊,尺寸僅為12×18×1.6 mm3,可以用于小型化設備中．天線的工作頻率在除去兩個頻段(3.44～4.24GHz和5.26～6.12GHz)的2.77～13.6GHz超寬帶頻段．實物的測試結果表現(xiàn)了良好的阻抗特性、全向性和增益特性．因此,由于其結構簡單、尺寸緊湊等良好的特性,該天線可以很好的被用于超寬帶系統(tǒng)中．

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劉阿玄 女,1990年11月出生于陜西省西安市．2013年本科畢業(yè)于西安電子科技大學電子信息工程專業(yè),同年考入西安電子科技大學讀研究生至今,主要研究方向為方向回溯陣列天線．

E-mail:liuaxuan2015@163.com

陳 蕾 女,副教授,1982年3月出生于陜西省寶雞市．2010年于西安電子科技大學獲電磁場與微波專業(yè)博士學位．主要研究方向為平面天線設計和方向回溯陣列天線．

A Miniaturized Planar Monopole Antenna with Dual Band-Notched Function for UWB Applications

LIU A-xuan,CHEN Lei,ZHONG Xian-jiang,LIU Shu-fang

(ScienceandTechnologyonAntennaandMicrowaveLaboratory,XidianUniversity,Xi’an,Shaanxi710071,China)

A novel miniaturized planar monopole antenna for ultra-wideband (UWB) applications with dual band-notched function is proposed in this paper.The proposed antenna consists of an ordinary square radiating patch with a π-shaped slot,a modified W-shaped slit and a pair of L-shaped branches.By adding the pair of L-shaped branches,additional resonances are excited and wider impedance bandwidth can be produced.To generate dual band-notched characteristics,a π-shaped slot in the radiating patch surrounded by a modified W-shaped slit is etched.The antenna provides a wide usable fractional bandwidth of more than 130% (2.77-13.62GHz).In addition,the designed antenna has a small size of 12×18×1.6mm3while showing the band-rejection performance,covering all the 3.5/5.5-GHz WiMAX,4-GHz C-bands and 5.2/5.8-GHz WLAN.Simulated and measured results show good band-notched functions,stable gain and nearly omnidirectional radiation patterns of the proposed antenna over the entire UWB frequency.

miniaturized;monopole antenna;dual band-notched function;UWB applications

2015-02-09;

2015-08-11;責任編輯:孫瑤

TN821

A

0372-2112 (2016)10-2495-06

??學報URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.10.030