一款新型雙陷波超寬帶單極子天線設(shè)計(jì)

趙方雷, 廖同慶, 吳 昇

(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 計(jì)算機(jī)系,安徽 合肥 230601)

一款新型雙陷波超寬帶單極子天線設(shè)計(jì)

趙方雷1, 廖同慶1, 吳 昇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 計(jì)算機(jī)系,安徽 合肥 230601)

為了有效抑制現(xiàn)有的窄帶通信系統(tǒng)對(duì)超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)系統(tǒng)的干擾,文章設(shè)計(jì)了一種新型雙陷波平面超寬帶天線。通過(guò)在鈴形輻射單元上加載互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)、在饋電線附件添加非對(duì)稱U形半波長(zhǎng)阻抗諧振器,使得天線在3.4～3.6 GHz和5.1～5.9 GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙陷波特性;研究了實(shí)現(xiàn)天線陷波的原理,并分析了天線陷波結(jié)構(gòu)對(duì)陷波特性的影響。測(cè)試結(jié)果表明,該天線輻射方向圖和增益特性良好,能夠有效地抑制全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)和無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)(WLAN)的干擾。

超寬帶(UWB);平面;雙陷波;互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán);半波長(zhǎng)阻抗諧振器

由于具有傳輸速率高、抗多徑衰落能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本和復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn),超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)通信系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在軍事通信、車載雷達(dá)、數(shù)字通信等領(lǐng)域。2002年,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)將UWB應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域[1],工作在3.1～10.6 GHz的UWB通信系統(tǒng)得到了大力發(fā)展。超寬帶天線作為無(wú)線通信系統(tǒng)的重要組成部分,已成為近幾年研究的熱點(diǎn)。

在UWB通信系統(tǒng)的工作頻段內(nèi)還存在其他窄帶通信系統(tǒng),如無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN,5.15～5.35 GHz,5.725～5.825 GHz)、IEEE 802.16全球微波互聯(lián)接入(WiMAX,3.4～3.6 GHz)和C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)(3.7～4.2 GHz)。這些窄帶通信系統(tǒng)會(huì)對(duì)UWB系統(tǒng)的工作產(chǎn)生干擾,因此需要在UWB頻段對(duì)這些窄帶信號(hào)進(jìn)行有效的抑制。近幾年,國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)具有陷波功能的UWB天線進(jìn)行了研究,通過(guò)在輻射單元上開(kāi)槽[2-5]、在接地板上加載槽線結(jié)構(gòu)[6-8]以及在輻射單元附件添加寄生單元[9-11],使天線在特定的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)陷波功能?；谝陨涎芯?本文設(shè)計(jì)了一種新型UWB天線,通過(guò)在鈴形輻射單元上加載互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)和在饋電線附件添加非對(duì)稱U形半波長(zhǎng)阻抗諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)雙陷波功能。

1 天線結(jié)構(gòu)

UWB天線使用非對(duì)稱半波長(zhǎng)阻抗諧振器和互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)陷波特性。開(kāi)口諧振環(huán)有電耦合、磁耦合和混合耦合3種方式。電耦合和磁耦合下在中間插入電壁時(shí)諧振頻率[12]分別為:

(1)

(2)

其中,L和C為諧振單元的自電感和自電容;Lm和Cm為互感電感和互感電容。

對(duì)于混合耦合,既有電耦合又有磁耦合,其等效電路為兩者的并聯(lián)形式,在中間插入電壁時(shí)諧振頻率為:

(3)

本文根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)了具有陷波功能的方形互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán),天線正面的俯視圖如圖1所示。

天線設(shè)計(jì)的具體尺寸如下:a=13 mm,b=3 mm,Fw=1.5 mm,L1=5.6 mm,L2=2 mm,L3=5.2 mm,L4=4.8 mm，W=0.3 mm，W1=0.2 mm,W2=0.3 mm,W3=0.3 mm,g=0.1 mm,t=0.2 mm,d=0.05 mm。

圖1 3種耦合陷波結(jié)構(gòu)天線俯視圖

該天線使用50 Ω微帶線饋電,使用長(zhǎng)軸為14 mm、短軸為13 mm的半橢圓結(jié)構(gòu)作為接地板,修剪后半橢圓短軸c=10.5 mm,有效地?cái)U(kuò)寬了天線的工作帶寬,滿足了超寬帶通信系統(tǒng)的要求。

修剪的橢圓接地板如圖2所示。

圖2 修剪的橢圓接地板

天線印刷在相對(duì)介電常數(shù)εr=10.2、厚度0.8 mm的Rogers RT介質(zhì)板上。

2 天線陷波特性分析

為了深刻了解天線的陷波特性,需要研究非對(duì)稱U形半波長(zhǎng)阻抗諧振器和互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)的尺寸參數(shù)對(duì)天線陷波特性的影響。下面應(yīng)用HFSS13.0研究半波長(zhǎng)阻抗諧振器的長(zhǎng)度L1、L2和互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)長(zhǎng)度L3、L4的變化以及不同耦合方式對(duì)天線陷波性能的影響。

(1) 耦合方式對(duì)天線陷波性能的影響。互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)陷波結(jié)構(gòu)耦合方式對(duì)天線陷波性能的影響如圖3所示。由圖3可知,磁耦合、混合耦合陷波結(jié)構(gòu)均能在WiMAX頻段產(chǎn)生陷波特性,并且磁耦合陷波結(jié)構(gòu)在陷波頻帶的高頻處相對(duì)于混合耦合陷波結(jié)構(gòu)有更好的矩形度,對(duì)WLAN陷波頻帶影響較小;但是電耦合陷波結(jié)構(gòu)不能在WiMAX頻段產(chǎn)生陷波特性,同時(shí)存在高次諧波,降低了天線的實(shí)用性,因此在下文研究中將其忽略。

圖3 互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)耦合方式對(duì)陷波特性的影響

(2) 互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)長(zhǎng)度對(duì)天線陷波性能的影響。磁耦合互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)長(zhǎng)度L3和混合耦合開(kāi)口諧振環(huán)長(zhǎng)度L4的變化對(duì)天線陷波性能的影響如圖4所示。由圖4可以看出,隨著L3、L4的增大,陷波中心頻率降低;當(dāng)L3=5.2 mm,L4=4.8 mm時(shí),陷波中心頻率為3.5 GHz,使得天線在WiMAX頻段產(chǎn)生陷波。但是混合耦合陷波結(jié)構(gòu)和磁耦合陷波結(jié)構(gòu)均對(duì)非對(duì)稱U形半波長(zhǎng)阻抗諧振器的陷波頻段產(chǎn)生了一定的影響。

圖4 互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)長(zhǎng)度對(duì)陷波特性的影響

(3) 非對(duì)稱U形半波長(zhǎng)阻抗諧振器長(zhǎng)度對(duì)天線陷波性能的影響。非對(duì)稱U形半波長(zhǎng)阻抗諧振器長(zhǎng)度L1、L2的變化對(duì)天線陷波性能的影響如圖5所示。由圖5可知,隨著L1、L2的增大,陷波中心頻率降低,陷波帶寬減小。當(dāng)L1=5.6 mm,L2=2.0 mm時(shí),陷波中心頻率在5.55 GHz,使得天線在WLAN頻段產(chǎn)生陷波,并且L1、L2的變化對(duì)互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)的陷波頻段影響十分微弱。

通過(guò)以上仿真分析可知,可以通過(guò)調(diào)節(jié)耦合方式、非對(duì)稱U形半波長(zhǎng)阻抗諧振器的長(zhǎng)度以及互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)雙陷波特性。為了能夠更直觀地了解天線的陷波原理,給出了雙陷波UWB天線的輸入阻抗曲線及等效電路,如圖6所示。

圖5 U形半波長(zhǎng)阻抗諧振器長(zhǎng)度對(duì)陷波特性的影響

圖6 2種耦合陷波結(jié)構(gòu)天線的輸入阻抗及等效電路

從圖6可以看出,天線在3.5 GHz附近,端口處的阻抗值達(dá)到最大,此時(shí)回路發(fā)生并聯(lián)諧振,電路開(kāi)路,電磁能量存儲(chǔ)在互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)附近;在5.5 GHz附近,端口處的阻抗值近似為0,天線回路發(fā)生串聯(lián)諧振、電路短路,電磁能量存儲(chǔ)在U形半波長(zhǎng)阻抗諧振器。天線在這2個(gè)頻率點(diǎn)附近阻抗失配,從而在WiMAX和WLAN頻段形成阻帶實(shí)現(xiàn)陷波。

發(fā)生陷波現(xiàn)象時(shí)天線電場(chǎng)分布情況如圖7所示。由圖7可知,驗(yàn)證分析是正確的。

圖7 2種耦合陷波結(jié)構(gòu)在3.5、5.5 GHz時(shí)的電場(chǎng)分布

3 結(jié)果及分析

基于最優(yōu)天線尺寸制作天線樣品,并對(duì)天線進(jìn)行測(cè)量。

天線樣品如圖8所示。

圖8 天線樣品

天線電壓駐波比測(cè)量結(jié)果和增益仿真結(jié)果如圖9所示。

電壓駐波比測(cè)量結(jié)果表明,在3.5、5.5 GHz處天線產(chǎn)生了阻帶特性,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性;同時(shí)在整個(gè)工作的頻帶內(nèi)具有比較平坦的增益特性,在3.5、5.5 GHz附近天線的增益顯著下降,有效地抑制了WiMAX、WLAN窄帶通信系統(tǒng)的干擾。

圖9 天線電壓駐波比的測(cè)量以及增益仿真結(jié)果

天線在3.0、4.0和7.0 GHz頻率點(diǎn)的E面和H面仿真方向圖如圖10所示。

由圖10可知,天線在E面方向圖呈現(xiàn)啞鈴形狀,類似于偶極子天線的方向圖;天線在H面有較好的全向性,可以接收來(lái)自各個(gè)方向的信號(hào)。

圖10 磁耦合和混合耦合陷波結(jié)構(gòu)輻射方向圖

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型平面UWB天線,采用修剪的漸變橢圓結(jié)構(gòu)接地板和半橢圓寄生枝節(jié)來(lái)擴(kuò)展帶寬,并在天線輻射貼片上加載互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)和在饋電線附近添加U形半波長(zhǎng)阻抗諧振器實(shí)現(xiàn)雙陷波特性;分析了不同耦合陷波結(jié)構(gòu)、陷波結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度對(duì)陷波特性的影響。本文設(shè)計(jì)的天線有效地抑制了WiMAX和WLAN窄帶系系對(duì)UWB通信系統(tǒng)的干擾。天線具有尺寸小、剖面低、輻射特性良好等優(yōu)點(diǎn),是一種具有一定使用價(jià)值的新型雙陷波UWB天線。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Design of novel double band-notch ultra-wideband monopole antenna

ZHAO Fanglei1, LIAO Tongqing1, WU Sheng2

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

A novel planar ultra-wideband(UWB) antenna with double band-notched characteristics is designed to effectively minimize the interference of existing narrow-band communication system. The bell-shaped radiation patch and the feeder line are loaded with complementary split-ring resonator(CSRR) and asymmetric U-shaped half wavelength impedance resonators, respectively, to achieve the double band-notched characteristics within the frequency range between 3.4-3.6 GHz and 5.1-5.9 GHz. The mechanism of band-notch is discussed and the influence of antenna configuration is analyzed. This antenna is fabricated and tested. The results show that this antenna has good radiation patterns and gain curve and is capable of restraining the interference of both the WiMax and Wireless Local Area Network(WLAN).

ultra-wideband(UWB); plane; double band-notch; complementary split-ring resonator(CSRR); half wavelength impedance resonator

2015-07-30；

2015-09-22

安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(kj2014A234);教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20123401120008)

趙方雷(1990-),男,山東濱州人,安徽大學(xué)碩士生; 廖同慶(1976-),男,安徽宿州人,博士,安徽大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.013

TN822.8

A

1003-5060(2017)02-0205-00