超寬帶濾波天線研究與設(shè)計

代天瑤

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

超寬帶(Ultra Wideband，UWB)無線技術(shù)作為一種新的無線通信技術(shù)，越來越受到人們的重視。UWB是一種具有抗干擾性能強(qiáng)、系統(tǒng)容量大、發(fā)送功率小、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)的無載波通信技術(shù)。按照美國聯(lián)邦通信委員會的規(guī)定， 3.1～10.6 GHz之間的頻段劃分為超寬帶系統(tǒng)使用的范圍。然而在超寬帶通信頻段范圍內(nèi)依然存在著一些窄帶通信系統(tǒng)[1-6]。濾波器和天線作為射頻前端電路最重要的兩個無源元器件，一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。傳統(tǒng)的濾波天線設(shè)計方法僅僅考慮了器件本身的性能，通過級聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)，并沒有從整體范圍進(jìn)行考慮。若將天線與濾波器集成設(shè)計成為濾波天線，可使天線同時具有輻射和濾波功能[7-8]，有效減小三維封裝的尺寸和面積，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的小型化。

目前發(fā)表的文獻(xiàn)中已提出大量單阻帶及雙阻帶天線，然而三阻帶天線甚至具有更多阻帶的天線依然較少。本文基于結(jié)構(gòu)簡單的圓形單極子天線實(shí)現(xiàn)超寬帶特性，同時引入耦合饋電、貼片開槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三阻帶的超寬帶濾波天。該天線可同時避免WIMAX、WLAN以及衛(wèi)星通信頻段對超寬帶通信系統(tǒng)的干擾[9]，具有較好的帶寬和輻射性能，且生產(chǎn)成本較低。

1 超寬帶濾波天線實(shí)現(xiàn)方法

文中通過引入超寬帶單極子天線，微帶饋線引入諧振器、貼面開槽技術(shù)、互補(bǔ)開口諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)了超寬帶濾波天線。

微帶印刷天線[10]由于體積小、剖面薄、成本低、易集成于電路等諸多的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛研究和應(yīng)用。它的工作原理是天線在通過同軸線饋電后，其上表面和地板之間將存在電勢差，周圍會產(chǎn)生電場分布，并且隨著電場變化感應(yīng)出相應(yīng)的磁場，繼而產(chǎn)生電磁波。因此本文選擇了結(jié)構(gòu)簡單的微帶印刷線路板來制作超寬帶單極子天線。

天線通過微帶線饋電，并在微帶饋線的兩邊加有兩個C型金屬環(huán)，金屬環(huán)可以通過耦合作用，將經(jīng)過天線的電磁信號吸引過來，從而產(chǎn)生了濾波效果。C型環(huán)的長度大約為四分之一波長，作用相當(dāng)于四分之一波長諧振器。

CSRR結(jié)構(gòu)[11]是由兩個開口方向相反的同心圓所組成。圖1為CSRR結(jié)構(gòu)圖及CSRR等效電路圖。CSRR具有超材料的性質(zhì)，可以產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率。CSRR諧振時可以產(chǎn)生阻帶效應(yīng)，這一特性常常被應(yīng)用在濾波器的設(shè)計之中。本文就是基于CSRR的這一阻帶特性，通過在天線輻射貼片上蝕刻兩個大小不等，方向相反的圓形CSRR環(huán)，使輻射天線產(chǎn)生了陷波特性。

圖1 CSRR結(jié)構(gòu)及等效電路圖

通常，CSRR的總尺寸大約為陷波處中心頻率所對應(yīng)的半波長，即

(1)

(2)

式中,Lc是CSRR的總周長，εeff是介質(zhì)板的有效介電常數(shù)，c是光速，fnotch是所需陷波的中心頻率點(diǎn)頻率，開槽的總體長度根據(jù)式(1)和式(2)進(jìn)行計算。

2 超寬帶濾波天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 天線結(jié)構(gòu)

本文提出的超寬帶濾波天線，采用FR4介質(zhì)板，微帶介電常數(shù)εr=4.4，損耗正切tanδ=0.02，介質(zhì)板厚度h=0.8 mm。天線頂層是通過Y型微帶線耦合饋電[12-15]到輻射貼片單元，地板上刻蝕有矩形槽，環(huán)形貼片上刻蝕圓形互補(bǔ)開口諧振環(huán)CSRR。天線的大小尺寸為28 mm×36 mm，電流通過饋電端口進(jìn)入到微帶線L，隨后耦合到地板上的矩形槽內(nèi)部，由于矩形槽上面刻蝕了C型槽口能產(chǎn)生某頻率的濾波作用，之后電流再耦合到微帶線L4上面，最后進(jìn)入到環(huán)形天線輻射貼片。由于輻射器上面刻蝕了CSRR結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率，CSRR諧振時能產(chǎn)生兩個頻段的濾波作用，最終實(shí)現(xiàn)超寬帶三阻帶濾波性能。圖2為天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 超寬帶濾波天線結(jié)構(gòu)圖

2.2 天線設(shè)計尺寸

天線經(jīng)過HFSS軟件[16]掃描優(yōu)化后，得到最終尺寸結(jié)果，如表1所示。

表1 天線優(yōu)化后的尺寸數(shù)據(jù) /mm

3 仿真結(jié)果與實(shí)測性能分析

3.1 回波損耗及電壓駐波比

為了驗(yàn)證所設(shè)計的天線的實(shí)用性和有效性，根據(jù)圖2中的天線設(shè)計加工了天線實(shí)物，圖3給出了天線原型實(shí)物圖。

圖3 濾波天線實(shí)物圖

使用Rohde&Schwarz公司ZVB4矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對UWB三阻帶天線的回波損耗和駐波比進(jìn)行測量，得到仿真實(shí)測結(jié)果。圖4為超寬帶濾波天線回波損耗的HFSS仿真結(jié)果和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試結(jié)果。從圖中可看出在頻率范圍3～8 GHz內(nèi)，超寬帶濾波天線回波損耗均小于-10 dB，在中心頻率點(diǎn)3.5 GHz(WIMAX頻段)、5.5 GHz(WLAN頻段)以及7.5 GHz(衛(wèi)星通信頻段)處，產(chǎn)生了明顯的阻帶作用，且阻帶帶寬較寬。天線的駐波比仿真實(shí)測曲線圖如圖5所示，天線在寬帶范圍內(nèi)的駐波比均小于2，阻抗特性匹配良好。天線的仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果基本吻合，偏差由天線加工制作的過程中的誤差、SMA接頭焊接誤差及介質(zhì)基板質(zhì)量等原因造成。結(jié)果說明該天線滿足了需要的設(shè)計效果。

圖4 天線回波損耗曲線

圖5 天線駐波比曲線

3.2 天線方向圖與增益

超寬帶濾波天線具有比較寬的帶寬，為了保證天線在通帶范圍內(nèi)，各個頻點(diǎn)都具有良好的全向輻射特點(diǎn)，本文分析了3.1 GHz、4.5 GHz以及6.5 GHz3個頻點(diǎn)的方向圖，如圖6所示。從上述方向圖可以看出，超寬帶濾波天線的平均增益約為4.5 dB，天線的H面均具有較好的全向性和一定的穩(wěn)定性特點(diǎn)。

圖6 不同頻點(diǎn)處的方向圖

天線的阻帶頻點(diǎn)方向圖如圖7所示，在中心頻率為3.5 GHz、5.5 GHz和7.5 GHz處，增益約為1.5 dB，有顯著的下降，說明在這3個頻段處，天線具有三阻帶的特性。

圖7 阻帶內(nèi)頻點(diǎn)方向圖

4 結(jié)束語

本文是基于超寬帶單極子天線改造成的超寬帶濾波天線。引入耦合饋電方式和CSRR結(jié)構(gòu)，得到的帶寬為3～8 GHz，并且產(chǎn)生了3個阻帶，濾除了通信干擾頻段。天線通過HFSS軟件仿真，通過仿真數(shù)據(jù)可以看到S參數(shù)、駐波比及輻射特性方向圖均滿足最初的設(shè)計要求。該款天線尺寸較小、頻帶寬，阻帶較多，相互之間容易產(chǎn)生影響，降低了天線的有效增益[17]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，天線符合UWB天線的性能指標(biāo)要求，在UWB通信系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。