基于S-SCRLHs諧振器的四陷波特性超寬帶天線設(shè)計(jì)

謝長(zhǎng)明，羅海東，張建軍

?

基于S-SCRLHs諧振器的四陷波特性超寬帶天線設(shè)計(jì)

謝長(zhǎng)明，羅海東，張建軍

（湖南中移通信技術(shù)工程有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410000）

提出了一種基于雙開(kāi)口簡(jiǎn)化復(fù)合左右手(Splited Simplified Composite Right/Left-Handed, S-SCRLHs)諧振器的四陷波特性單極子天線。天線包括切割型圓形貼片、微帶饋電線、帶有梯形缺口的矩形地板和兩個(gè)S-SCRLH諧振器，它具有四個(gè)諧振點(diǎn)，將S-SCRLHs諧振器耦合在新型單極子超寬帶天線附近，實(shí)現(xiàn)四阻帶功能。仿真和測(cè)量結(jié)果表明，該天線在超寬帶范圍內(nèi)存在四個(gè)阻帶，它們分別是3.6~3.8 GHz WiMax band、4.5~4.9 GHz C band、5.6~6.0 GHz WLAN band、7.2~7.6 GHz X band。通過(guò)尺寸優(yōu)化，最終尺寸定于25 mm×20 mm×1.6 mm，測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果匹配較好。和其他天線相比，該天線具有尺寸小、多阻帶、選擇性好等特點(diǎn)。

超寬帶天線；單極子；四阻帶；小型化；S-SCRLHs；諧振器

隨著高速無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Committee, FCC）在2002年宣布將3.1~10.6 GHz的7.5GHz帶寬范圍劃分為超寬帶（Ultra Wideband, UWB）的使用頻帶后[1]，超寬帶通信技術(shù)便引起了廣大學(xué)者的注意。其中，作為超寬帶通信技術(shù)必不可少的一部分，超寬帶天線在近幾年也受到了越來(lái)越多的關(guān)注[2-3]，許多具有不同形狀輻射貼片的超寬帶天線陸續(xù)被提出。

但是，由于超寬帶系統(tǒng)中存在許多潛在的干擾，例如無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network, WLAN, 5.6~6.0 GHz），全球微波互聯(lián)接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX, 3.6~3.8 GHz）就工作在超寬帶頻帶內(nèi)，因此設(shè)計(jì)具有多阻帶的超寬帶天線來(lái)抑制干擾信號(hào)就顯得十分重要。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在實(shí)現(xiàn)具有一個(gè)阻帶的超寬帶陷波天線時(shí)，使用不同的形狀，例如U型、H型、C型[4-7]。但是，這些方法都只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)阻帶。因此，有學(xué)者就利用SCRLH（Simplified Composite Right/Left-Handed）諧振器實(shí)現(xiàn)雙阻帶[8]。但是這種超寬帶天線的尺寸較大，不利于集成。還有學(xué)者利用C/U形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)雙阻帶[9]，但是該結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，不利于集成使用。除此之外，對(duì)于三阻帶來(lái)說(shuō)，有學(xué)者就利用兩個(gè)橢圓狀和一個(gè)矩形圓環(huán)諧振器產(chǎn)生了三阻帶[10]，但該結(jié)構(gòu)的尺寸偏大且比較復(fù)雜。

基于此，本文首次使用新型的S-SCRLHs諧振器，設(shè)計(jì)了一種新型的具有四阻帶的小型化超寬帶天線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小、性能優(yōu)異、易調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程如下：首先，基本的單極子天線是一個(gè)切割型圓形貼片，該貼片的形狀是在圓形貼片周圍切割3個(gè)小型圓形貼片而得到的。然后，將單個(gè)S-SCRLH諧振器耦合在該單極子天線附近，仿真結(jié)果表明該天線產(chǎn)生雙陷波特性。接著，通過(guò)將S-SCRLHs（耦合兩個(gè)S-SCRLH諧振器）耦合在天線附近產(chǎn)生四阻帶特性。

文中所設(shè)計(jì)的超寬帶陷波天線如圖1所示。從圖1中可以看出，天線的輻射貼片和饋線刻蝕在介質(zhì)板的頂層，接地面刻蝕在介質(zhì)板的底層。介質(zhì)板使用的是FR4，相對(duì)介電常數(shù)r=4.4，介質(zhì)板厚度= 1.6 mm，損耗角正切tan=0.002 3，特征阻抗為50 Ω，饋線寬度為3.2 mm。

圖1 超寬帶天線幾何結(jié)構(gòu)

近來(lái)，復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)（Composite Right/Left-Handed Transmission Line，CRLH TL）的概念已經(jīng)被用來(lái)設(shè)計(jì)各種類型的微波設(shè)備，簡(jiǎn)化復(fù)合左右手（Simplified Composite Right/Left-Handed，S-CRLH）傳輸線結(jié)構(gòu)首次在文獻(xiàn)[11]中被提出來(lái)。S-CRLH諧振器是由高低阻抗線和有接地孔的貼片組成。和其他傳統(tǒng)的復(fù)合左右手傳輸線相比，該S-CRLH諧振器省去了左手電容CL（Capacitive Left），因此該諧振器的設(shè)計(jì)流程較為簡(jiǎn)便。

下面給出簡(jiǎn)化復(fù)合左右手傳輸線的單元等效電路，如圖2所示。對(duì)于簡(jiǎn)化復(fù)合左右手傳輸線（缺失左手電容CL）來(lái)說(shuō)，LR（Inductance Right）是串聯(lián)電感，CR（Capacitive Right）是并聯(lián)電容，LL（Inductance Left）是并聯(lián)電感，為單元長(zhǎng)度。

圖2 簡(jiǎn)化復(fù)合左右手傳輸線的單元等效電路

串聯(lián)阻抗和并聯(lián)電導(dǎo)的表達(dá)式如下：

= jLR(1)

根據(jù)文獻(xiàn)[8-12]所示，S-CRLH諧振器具有雙模特性，兩個(gè)諧振頻率由下面兩個(gè)公式得到：

(3)

式中：0表示為S-CRLH傳輸線的0模式諧振頻率，主要是由左手部分的電感LL和右手部分的電容CR決定；+1是S-CRLH傳輸線的+1模式諧振頻率，主要由右手部分的電容CR、電感LR和左手部分的電感LL共同決定的。

單極子天線（Ant 1）如圖3（a）所示。根據(jù)仿真工具優(yōu)化，該天線幾何結(jié)構(gòu)主要參數(shù)最終確定為：=25 mm，g=9 mm，g=20 mm，f=3.2 mm，=8 mm，n1=9 mm，n2=6 mm，n3=4 mm，n=1 mm。圖4為圖3的相對(duì)應(yīng)電壓駐波比仿真圖。該單極子天線可以產(chǎn)生一個(gè)可控的帶寬3.0~11.3 GHz（VSWR＜2）。然后，將諧振器結(jié)構(gòu)耦合在超寬帶天線附近，組成陷波天線。

圖3 超寬帶天線的演化進(jìn)程

圖4 （a）超寬帶天線的駐波比；（b）H型S-CRLH諧振器的駐波比；（c）S-SCRLH諧振器的駐波比；（d）S-SCRLHs諧振器的駐波比

在簡(jiǎn)化復(fù)合左右手傳輸線中，串聯(lián)電感LR和并聯(lián)電容CR是由微帶線尺寸位置決定的，而并聯(lián)電感LL是由接地通孔決定的。這就可以很方便地通過(guò)控制微帶線的結(jié)構(gòu)來(lái)控制阻帶的大小位置。故在圖3（c）中的S-SCRLH傳輸線中，右手電容CR和右手電感LR是由其1、2、3、4共同決定的。

S-CRLH的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如下所示：= 9 mm，= 1.8 mm，= 3.4 mm，= 0.6 mm，= 2 mm，= 0.6 mm。通過(guò)仿真可知，該S-CRLH結(jié)構(gòu)分別在4.2 GHz和5.8 GHz具有雙阻帶特性（VSWR＜2）。

S-SCRLH的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如下所示：1=6.3 mm，2=0.24 mm，3=2.6 mm，4=6.6 mm，9=1.7 mm。正如圖3、4所看到的，修正過(guò)后的結(jié)構(gòu)比H型結(jié)構(gòu)更加緊湊，阻帶頻率點(diǎn)也與S-CRLH結(jié)構(gòu)相近。

如圖3（d）所示，作者將另外一個(gè)較小的修正結(jié)構(gòu)耦合在原來(lái)的修正結(jié)構(gòu)上。這種新型結(jié)構(gòu)（S-SCRLHs）在濾除不需要的超寬帶信號(hào)時(shí)具有較好的簡(jiǎn)易性和方便性。圖4（d）給出了該天線的VSWR曲線。

2 尺寸優(yōu)化

對(duì)于復(fù)合左右手傳輸線來(lái)說(shuō)，可調(diào)諧特性一直是其優(yōu)勢(shì)所在，本文提出來(lái)的新型結(jié)構(gòu)也不例外。本文通過(guò)電磁仿真工具HFSS13.0對(duì)以上提出來(lái)的新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸改進(jìn)仿真，最終濾除幾個(gè)干擾頻段，例如WLAN，WiMAX，C-Band，X-Band等，得到該結(jié)構(gòu)的最優(yōu)尺寸。

S-SCRLH結(jié)構(gòu)分別在3.7，4.7，5.8，7.4 GHz頻率帶具有四諧振特性。文中所提出來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示：1= 6.3 mm，2= 0.24 mm，3= 2.6 mm，4= 6.6 mm，5= 5.4 mm，6= 5 mm，7= 0.15 mm，8= 1.7 mm，9= 1.7 mm。如圖5所示，本文給出了6、8對(duì)阻帶頻率點(diǎn)的影響，其中1、2、3、4依次對(duì)應(yīng)圖中的第1，2，3，4個(gè)阻帶。從圖5(a)中可發(fā)現(xiàn)當(dāng)6增大的時(shí)候，3變化較為明顯，且相應(yīng)增大。從圖5(b)中可發(fā)現(xiàn)當(dāng)8增大的時(shí)候，4變化較為明顯，會(huì)相應(yīng)減小。

通過(guò)上述討論，基本上可以通過(guò)調(diào)節(jié)尺寸來(lái)達(dá)到所希望濾除的頻率點(diǎn)，由此證明了該傳輸線具有很好的可調(diào)諧特性，而且最終尺寸為5.5 mm×7 mm，比上述所說(shuō)的“H”型傳輸線小得多。綜上所述，該新型傳輸線擁有小尺寸、多阻帶、良好的選擇性等特點(diǎn)。

圖5 W6、W8對(duì)電壓駐波比的影響

3 仿真與測(cè)試分析

將上述提到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)、優(yōu)化，最終得到了具有四阻帶的超寬帶陷波天線，其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，其電壓駐波比(VSWR)仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比如圖7所示。其中的測(cè)試結(jié)果通過(guò)安捷倫E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得。

圖6 超寬帶陷波天線底部和頂部實(shí)物圖

圖7 超寬帶陷波天線的電壓駐波比的仿真與測(cè)試圖

從圖7可知，阻帶頻段為：3.6~3.8 GHz，WiMAX波段，4.5~4.9 GHz，C波段，5.6~6.0 GHz，WLAN波段，7.2~7.6 GHz，X波段，具有很高的實(shí)用性，最后總的尺寸大小為25 mm×20 mm×1.6 mm。相對(duì)于仿真結(jié)果，第二個(gè)阻帶頻率點(diǎn)的VSWR偏低，帶寬基本保持不變。此外，第四個(gè)阻帶點(diǎn)VSWR偏低且向右做了些許偏移。

從整體上來(lái)看，該天線的仿真與測(cè)試結(jié)果是比較吻合的，其中微小的誤差可能由以下幾點(diǎn)因素造成：首先，F(xiàn)R-4的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切隨著頻率的升高有些不太穩(wěn)定，尤其是高頻部分偏差比較大；其次，由于制造精密度不夠，使得天線的一些地方出現(xiàn)毛刺，使得諧振頻率發(fā)生變化；最后，是人工焊接技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試的環(huán)境，使得SMA接觸不良或是接頭上的焊錫分布不均勻，造成一定的損耗。

電壓駐波比是衡量天線帶寬特性的指標(biāo)之一。但在天線設(shè)計(jì)當(dāng)中，還需要考慮天線是否具有穩(wěn)定的方向圖。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本文只利用仿真軟件HFSS 13.0得出該天線的仿真輻射方向圖。為了證明該天線在給定帶寬具有近似的全向性，本文隨機(jī)選取了4，7，9 GHz三個(gè)頻率點(diǎn)。圖8給出了在仿真環(huán)境下4，7，9 GHz頻率點(diǎn)天線輻射H面(實(shí)線)、E面(虛線)方向圖。從圖可以看到，在以上頻率點(diǎn)H面(實(shí)線)為圓形，E面(虛線)基本為類“8”型，7 GHz附近因?yàn)橛凶鑾Ч?，故?”型效果不好，故可以看出在整個(gè)工作頻帶天線具有近似的全向性。

圖8 天線的輻射方向圖（4，7，9 GHz的E面和H面）

為了進(jìn)一步說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，表1總結(jié)了該天線的性能參數(shù)，并將其與最近幾年所報(bào)道的陷波天線進(jìn)行比較。從表中可以清晰地看出，本文所提出的新型天線結(jié)構(gòu)無(wú)論在尺寸還是在阻帶個(gè)數(shù)上都具有優(yōu)勢(shì)，對(duì)以后超寬帶陷波天線的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

表1 幾種多阻帶天線的性能參數(shù)

Tab.1 Comparisons with other proposed UWB antennas with notched band

4 結(jié)論

提出一種具有四陷波特性的超寬帶天線。該天線的陷波結(jié)構(gòu)由雙開(kāi)口簡(jiǎn)化復(fù)合左右手傳輸線組成。對(duì)該陷波天線的參數(shù)研究表明，相對(duì)于其他天線來(lái)說(shuō)，本文提出來(lái)的天線具有更加簡(jiǎn)單、易于加工設(shè)計(jì)、性能更加優(yōu)異等特點(diǎn)，對(duì)以后超寬帶陷波天線的設(shè)計(jì)具有極大的意義。

[1] Communications Commission. FCC02–48 First report and order, revision of part 15 of Commission’s rule regarding UWB transmission system [S]. USA: FCC, 2002.

[2] 劉漢, 尹成友, 范啟蒙. 超寬帶天線的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 電子元件與材料, 2016, 35(6): 8-15.

[3] 宋杰, 于映, 王寅豪. 一種應(yīng)用于WLAN的單層寬頻微帶天線設(shè)計(jì)[J]. 電子元件與材料, 2016, 35(6): 82-84.

[4] OJAROUDI M, GHANBARI G, OJAROUDI N, et al. Small square monopole antenna for UWB applications with variable frequency band-notch function [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2009(8): 1061-1064.

[5] HONG S J, SHIN J W, PARK H, et al. Analysis of the bandstop techniques for ultra wide band antenna [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2007, 49: 1058-1062.

[6] BAO X L. Printed band-reject UWB antenna with H-shaped slot [C]//International Workshop on Antenna Technology: Small and Smart Antennas Metamaterials and Applications. Cambridge, UK: IEEE, 2007: 319-322.

[7] CHU Q, YANG Y. A compact ultra wideband antenna with 3.4/5.5 GHz dual band-notched characteristics [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2008, 56: 3637-3644.

[8] SUN Q, ZHAO Y J, LI Q, et al. A planar ultra-wideband antenna with dual notched bands based on SCRLH resonator [C]//2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. NY, USA: IEEE, 2010: 380-383.

[9] SRIVASTAVA G, MOHAN A. A planar UWB monopole antenna with dual band notched function [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2015, 57: 99-104.

[10] SRIVASTAVA G, DWARI S, KANAUJIA B K. A compact triple band notch circular ring antenna for UWB applications [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2015, 57: 668-672.

[11] LIN X Q, LIU R P, YANG X M, et al. Arbitrarily dual-band components using simplified structures of conventional CRLH TLs [J]. IEEE Trans Microwave Theory Technol, 2006, 54: 2902-2909.

[12] HAN W, FENG Y. Ultra-wideband bandpass filter using simplified left-handed transmission line structure [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2008, 50: 2758-2762.

[13] SUNG Y. Triple band-notched UWB planar monopole antenna using a modified H-shaped resonator [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2013, 61: 953-957.

（編輯：陳渝生）

Novel compact ultra-wideband antenna with quad notched bandsbased on S-SCRLHs resonator

XIE Changming, LUO Haidong, ZHANG Jianjun

(Hunan Branch of China Mobile Communication Technology Engineering Co., Ltd, Changsha 410000, China)

A novel compact ultra-wideband (UWB) antenna with a quad band-notched function using S-SCRLHs (splited simplified composite right/left-handed) resonator was presented. The antenna comprised a cutting circular patch, a microstrip feeder, a rectangular floor with a trapezoidal notch and two S-SCRLHs resonators. The S-SCRLHs resonators, which possessed 4 resonance points, were integrated into a novel monopole UWB antenna, the quad band-notched function of the antenna was realized. The simulation and measurement results show that there are four notch bands in the UWB range, which are 3.6－3.8 GHz WiMax band, 4.5－4.9 GHz C band, 5.6－6.0 GHz WLAN band, 7.2－7.6 GHz X band. The final size is set at 25 mm×20 mm×1.6 mm. Both simulation and measurement results are provided with good agreement. Compared with other antennas, the proposed antenna has the advantages of compact size, multi-stopband, and good selectivity.

UWB antenna; monopole; quad notched bands; compact size; S-SCRLHs; resonator

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.018

TN826

A

1001-2028（2017）05-0085-06

2017-02-14

謝長(zhǎng)明

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（No.61274020）

謝長(zhǎng)明（1991－），男，湖南邵陽(yáng)人，研究生，主要從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù)研究，E-mail:15700798819@139.com 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-05-11 13:28

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1328.018.html