一種新型四陷波超寬帶天線的設(shè)計(jì)

吳 玲， 夏應(yīng)清， 李 蕾， 姜遙歌

(1.華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 武漢 430079; 2.武昌理工學(xué)院 信息工程學(xué)院， 武漢 430074)

一種新型四陷波超寬帶天線的設(shè)計(jì)

吳 玲1*， 夏應(yīng)清1， 李 蕾2， 姜遙歌1

(1.華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 武漢 430079; 2.武昌理工學(xué)院 信息工程學(xué)院， 武漢 430074)

設(shè)計(jì)了一種新型的結(jié)構(gòu)緊湊的四陷波超寬帶天線.天線的基本結(jié)構(gòu)由U型輻射貼片、漸變微帶饋線和半橢圓形地板組成.通過蝕刻對(duì)稱的L型槽來(lái)抑制WiMAX的干擾；蝕刻圓環(huán)形互補(bǔ)開口諧振環(huán)(CSRR)以濾除上邊帶WLAN和下邊帶WLAN；以及對(duì)稱的C型枝節(jié)來(lái)達(dá)到在X-band的陷波特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，天線在超寬帶2.58～13 GHz頻段內(nèi)電壓駐波比小于2，同時(shí)在3～3.8 GHz、5～5.37 GHz、5.6～6.1 GHz和7.15～7.8 GHz四個(gè)頻段內(nèi)具有陷波抑制作用，在其余UWB頻段內(nèi)具有良好的輻射特性.天線尺寸小，僅為20×30 mm2.

超寬帶天線； 微帶天線； 四陷波； 互補(bǔ)開口諧振環(huán)

自2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)宣布將3.1～10.6GHz頻段劃歸為超寬帶(Ultra-wideband， UWB)的民用頻段以來(lái)，超寬帶通信技術(shù)在科研和工業(yè)領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展[1-2].但是在UWB頻譜范圍內(nèi)同時(shí)還存在其他的通信系統(tǒng)，比如WiMAX(3.3～3.7 GHz)，WLAN(5.15～5.35 和5.725～5.825 GHz)，以及7.25～7.75 GHz的 X波段下行通信信號(hào).為了實(shí)現(xiàn)超寬帶通信系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)的兼容，降低各個(gè)通信系統(tǒng)之間的潛在干擾，最直接有效的方法就是使超寬帶天線在相應(yīng)頻段內(nèi)呈現(xiàn)陷波特性.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者設(shè)計(jì)或者提出了各種具有陷波特性的UWB天線，比如文獻(xiàn)[3]在輻射貼片上蝕刻L型槽和地板上的L型枝節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)3.9/5.5 GHz雙陷波.文獻(xiàn)[4]通過蝕刻兩個(gè)圓弧形槽和C型槽來(lái)實(shí)現(xiàn)WiMAX (3.3～3.7 GHz)，WLAN (5.15～5.85 GHz)和X-band (7.1～7.76 GHz)的三陷波.由于WLAN可分為上WLAN(5.725～5.825 GHz)和下WLAN(5.15～5.35 GHz)，考慮到頻譜資源的緊張，分別濾除上WLAN和下WLAN則可以提高頻譜利用率，正如文獻(xiàn)[5-8]中設(shè)計(jì)的四陷波天線.本文設(shè)計(jì)了一種緊湊的四陷波天線，通過在輻射貼片上蝕刻L型槽和圓環(huán)形互補(bǔ)開口諧振環(huán)(CSRR)，以及在漸變微帶線兩側(cè)增加對(duì)稱的C型枝節(jié)來(lái)達(dá)到四阻帶特性.天線的整體尺寸為20×30×0.8 mm3，比文獻(xiàn)[5-8]中的四陷波天線尺寸小.

1 四陷波天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示.天線采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.018的FR4基板，其厚度為0.8 mm.天線由50歐姆的漸變微帶線饋電.U型輻射貼片和半橢圓形地板的結(jié)構(gòu)便于在較寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配.通過調(diào)整陷波結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，使其等于阻帶中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半或者四分之一，即可在該頻段范圍內(nèi)形成陷波.

在本設(shè)計(jì)中，首先在輻射貼片上蝕刻對(duì)稱的L型槽，其總長(zhǎng)度近似為3.5 GHz(WiMAX)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的四分之一.CSRR的內(nèi)外環(huán)長(zhǎng)度分別近似為5.8 GHz(上WLAN) 和5.3 GHz(下WLAN)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的二分之一，因此CSRR用來(lái)產(chǎn)生上WLAN和下WLAN頻段內(nèi)的陷波特性.為了獲取7.15～7.8 GHz頻段的陷波特性，在漸變微帶線兩側(cè)增加對(duì)稱的C型枝節(jié)，其總長(zhǎng)度近似為7.5 GHz(X-band)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的二分之一.

通過在CST中優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后確定了天線的最佳尺寸(單位：mm)：L=30，W=20，Wr=16，L1=10.4，L2=9，L3=2.9，L4=4.45，L5=2.4，L6=1，Lr=12，w1=2.6，w2=0.7，w3=1.6，w4=7，w5=0.3，w6=0.2，wd=0.2，d1=12.8，g1=0.9，

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch of proposed antenna

g2=3.45，R1=8，R2=2.44，R3=3.12.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了進(jìn)一步地掌握陷波結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能影響，特別是CSRR結(jié)構(gòu)對(duì)上下WLAN雙陷波的影響，在CST軟件中對(duì)C型枝節(jié)的高度L3和CSRR的位置d1進(jìn)行了仿真和分析.如前文描述，7.5 GHz X-band 陷波頻段主要由C型枝節(jié)的長(zhǎng)度2L4+L3決定.在圖2(a)的仿真中，其它參數(shù)不變，改變L3，得到不同長(zhǎng)度的C型枝節(jié).從圖2(a)可見，當(dāng)C型槽的高度值L3增加時(shí)，C型枝節(jié)的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，其對(duì)應(yīng)的陷波頻段左移，同時(shí)其他3個(gè)陷波頻段幾乎不受影響.圖2(b)顯示，當(dāng)CSRR的位置d1逐漸靠近饋電點(diǎn)時(shí)，即d1變小時(shí)，上下WLAN兩個(gè)陷波頻段的幅度變高，同時(shí)頻率范圍增大.在保證VSWR>2的條件下，為了提高頻譜的利用率，希望陷波頻段覆蓋上下WLAN的同時(shí)頻譜范圍窄，故選取d1=12.8 mm.改變?nèi)鐖D2(c)中L型槽的長(zhǎng)度，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)長(zhǎng)度增加時(shí)，第一個(gè)陷波頻段整體左移，中心頻率變小.該圖說明L型槽的長(zhǎng)度對(duì)WiMAX陷波段有很大的影響.

為驗(yàn)證四陷波特性的存在，圖3仿真了天線在4個(gè)陷波頻率點(diǎn)的表面電流分布. 由圖可見，在4個(gè)陷波頻率點(diǎn)，電流分別集中在對(duì)應(yīng)的陷波結(jié)構(gòu)單元附近，此時(shí)能量無(wú)法被天線輻射，因此形成4個(gè)陷波.

圖3 天線表面電流分布Fig.3 Surface current distributions on antenna

根據(jù)上文中的仿真優(yōu)化結(jié)果將天線進(jìn)行加工，其實(shí)物見圖4.使用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀Agilent E8362B 對(duì)天線進(jìn)行實(shí)物測(cè)量，得到VSWR測(cè)量結(jié)果.圖5給出了天線測(cè)量和仿真的VSWR對(duì)比.從圖中可以看出，除了4個(gè)陷波頻段(3～3.8 GHz、5～5.37 GHz、5.6～6.1 GHz和7.15～7.8 GHz)，天線在2.58-13 GHz頻段內(nèi)電壓駐波比小于2， 滿足了UWB頻段范圍和四陷波的要求.仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果大致吻合，存在的偏差可能是由焊接技術(shù)，介質(zhì)板的質(zhì)量及制造誤差等因素造成.

圖4 加工后的實(shí)物圖Fig.4 Fabricated antenna

圖5 VSWR的測(cè)量與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5 Simulated and measured VSWR

天線在4，6.5和8 GHz時(shí)的實(shí)測(cè)方向圖如圖6所示.圖6(a)中，天線在E面呈現(xiàn)出類似偶極子的輻射特性，在圖(b)中，天線在H面近似全向輻射，雖然方向圖存在一定的畸變，但是總體趨勢(shì)不變.因此該天線在超寬帶范圍內(nèi)有良好的輻射特性.天線的增益特性如圖7所示，由圖可見在4個(gè)陷波頻段內(nèi)，天線增益下降明顯，此時(shí)天線幾乎不工作.在其他頻段內(nèi)，天線增益比較穩(wěn)定，天線具有良好的增益特性.

圖6 不同工作頻率下的方向圖Fig.6 Measured normalized far field radiation patterns

圖7 天線的增益曲線Fig.7 Gain of the antenna

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的具有四陷波特性的超寬帶天線.通過蝕刻L型槽，CSRR和C型枝節(jié)，可以有效地濾除WiMAX(3～3.8 GHz)，上WLAN(5.6～6.1 GHz)，下WLAN(5～5.37 GHz)以及X-band(7.15～7.8 GHz).同時(shí)天線在2.58～13 GHz滿足超寬帶要求，并且有良好的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖和穩(wěn)定的增益特性.因此該天線符合UWB天線的要求，同時(shí)具有四陷波特性，在超寬帶通信系統(tǒng)中有一定的實(shí)際意義.

[1] 吳 婷， 史小衛(wèi)， 白 昊， 等. 一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且陷波特性易調(diào)節(jié)的超寬帶天線[J].微波學(xué)報(bào)， 2014，30(2):23-25．

[2] VALIZADE A， GHOBADI C， NOURINIA J， et al. A novel design of reconfigurable slot antenna with switchable band notch and multi-resonance functions for UWB applications[J]. IEEE Antenna Wireless Propag Lett， 2012，11:1166-1169．

[3] WANG X C， WANG L M， ZHOU H， et al. A compact CPW-Fed antenna with dual band-notched characteristics for UWB applications [J]. Microw Opt Technol Lett， 2014，56(5):1047-1049．

[4] BAKARIYA P S， DWARI S， SARKAR M. Triple band notch UWB printed monopole antenna with enhanced bandwidth[J]. AEU-International Journal of Electronics and Communications， 2015，69(1):26-30

[5] WU Z H， WEI F， SHI X W， et al. A compact quad band-notched UWB monopole antenna loaded one lateral L-shaped slot [J]. Progress In Electromagnetics Research， 2013，139(3): 303-315．

[6] BAKARIYA P S， DWARI S， SARKAR M. Printed Ultrawideband Monopole antenna with four notch band[J]. Wireless Pers Commun， 2015，84(4):2989-2999．

[7] LI W T， HEI Y Q. Design of ultrawideband antenna with multiple band-notched characteristics[J]. J of Electromagn Waves and Appl， 2012，26(7):942-951．

[8] AIMALKAWI M J， DEVABHAKTUNI V.K. Quad band-notched UWB antenna compatible with WiMAX/INSAT/lower-upper WLAN applications[J]. Electron Lett， 2011，47(19):1062-1063.

Designofanovelquad-bandnotchedUWBantenna

WU Ling1, XIA Yingqing1, LI Lei2, JIANG Yaoge1

(1.College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan, 430079;2.Information and Engineering School, Wuchang University of Technology, Wuhan 430074)

A novel and compact UWB antenna with four notched bands is presented. The basic antenna consists of a U-shaped radiating patch, a tapered microstrip feed-line, and a semielliptical ground plane. By etching a pair of L-shaped slots, CSRR, a pair of C-shaped stubs and four notched bands are achieved to prevent interference from WiMAX, Lower WLAN, upper WLAN and X-band. Experimental results show that the proposed antenna operates from 2.58 to 13 GHz, except for four stop bands of 3.0～3.8 GHz, 5.0～5.37 GHz, 5.6～6.1 GHz and 7.15～7.8 GHz. Good radiation patterns within the operating band have been observed. The antenna has a compact size and it is only 20×30 mm2.

UWB; microstrip antenna; four notched bands; CSRR

TN822+.8

A

2017-03-22.

*E-mail: ruochen143abc@163.com.

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.05.007

1000-1190(2017)05-0596-04