基于開窗結(jié)構(gòu)和寄生單元的雙陷波超寬帶天線

韓濤+張明軍+王紅成

摘 要： 設(shè)計(jì)了一款具有雙陷波特性的平面超寬帶天線。超寬帶基礎(chǔ)天線的饋電采用漸變式階梯阻抗匹配結(jié)構(gòu)，使得天線具有寬阻抗匹配能力。通過在橢形輻射器內(nèi)進(jìn)行開窗，以及在地面添加矩形寄生單元，實(shí)現(xiàn)了天線的雙陷波特性。測試結(jié)果表明，該天線的工作帶寬（VSWR<2）為3.1～10 GHz，工作在超寬帶（UWB）頻率范圍，兩個(gè)陷波分別在3.3～4.0 GHz和5.0～5.85 GHz，可以應(yīng)用于WiMAX和WLAN頻段的信號抑制。仿真與實(shí)測結(jié)果表明，該天線結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的陷波功能，能夠很好地應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞： 超寬帶； 雙陷波特性； 寄生結(jié)構(gòu)； 開窗結(jié)構(gòu)

中圖分類號： TN929?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）01?0063?04

Abstract： A planar ultra?wideband （UWB） antenna with dual band?notched characteristic was designed. The gradual stepped impedance matching structure is adopted by the feed of the UWB base antenna to make the antenna have the matching capacity of wide impedance. The windowing was conducted inside the elliptic radiator and the rectangular parasitic element was added into the ground to realize the dual band?notched characteristic of the antenna. The test results show that the operation bandwidth of the antenna is 3.1～10 GHz when VSWR is less than 2， it works at the frequency range of UWB； the dual band?notched characteristic is shown in 3.3～4.0 GHz and 5.0～5.85 GHz， and widely used in the signal suppression of WiMAX and WLAN frequency bands. The simulation and actual measurement results show that the antenna has simple structure and excellent band?notched function， and can be well applied in the UWB communication system.

Keywords： ultra wideband； dual band?notched characteristic； parasitic structure； windowing structure

0 引 言

自2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）將3.1～10.6 GHz頻段規(guī)劃為超寬帶（UWB）的商用頻段后，超寬帶通信技術(shù)引起了越來越多的關(guān)注[1]。超寬帶作為一種新型短距離、高速率無線通信技術(shù)，被應(yīng)用于無線音視頻傳輸系統(tǒng)中。與此同時(shí)，由于超寬帶系統(tǒng)的頻段非常寬，在工作時(shí)很容易受到如WiMAX頻段（3.3～3.7 GHz）、WLAN頻段（5.15～5.825 GHz）等窄帶通信系統(tǒng)的通信干擾[2]。為了解決通信干擾的問題，可以在超寬帶系統(tǒng)前端引入各種濾波器進(jìn)行頻帶選擇，減少窄帶系統(tǒng)和超寬帶系統(tǒng)的干擾，但這樣不僅會(huì)增加系統(tǒng)的體積而且阻抗匹配會(huì)更加困難[3]。因此，直接在UWB天線的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出具有陷波特性的天線結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

利用不同的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶天線的陷波功能，文獻(xiàn)[4?5]在天線結(jié)構(gòu)中引入寄生單元，文獻(xiàn)[6?7]采用分形結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[8?9]加入調(diào)諧枝節(jié)，文獻(xiàn)[10?12]利用開槽的方法。本文通過在橢形輻射器內(nèi)進(jìn)行開窗，以及在地面添加矩形寄生單元，提出一種具有雙陷波特性的UWB天線結(jié)構(gòu)，并對該天線進(jìn)行仿真和測試。該天線的饋電采用漸變式階梯阻抗匹配結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)寬頻段內(nèi)的阻抗匹配，然后對天線的橢形單元開縫和在地板上添加寄生單元，實(shí)現(xiàn)雙陷波特性。天線結(jié)構(gòu)簡單易于加工，尺寸大小為50 mm×52 mm，而且在3.3～4.0 GHz和5～5.85 GHz上呈現(xiàn)高陷波特性，VSWR曲線變化陡峭，具有高選擇性抑制能力。

1 UWB天線設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)UWB天線在饋電端采用漸變饋電結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。這在一定程度上相當(dāng)于寬頻阻抗轉(zhuǎn)換器，可以使得該橢形天線阻抗在很寬的頻段內(nèi)和50的SMA頭匹配。為了實(shí)現(xiàn)該天線在5.5 GHz附近的陷波特性，實(shí)現(xiàn)天線對5.15～5.825 GHz頻段內(nèi)的信號抑制，在圖1（a）天線背面附加了兩個(gè)矩形的寄生單元，圖1（b）為雙陷波超寬帶天線的背面，由地板和寄生單元兩部分構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)該天線在低頻3.5 GHz附近的陷波特性，在圖1（a）的橢形輻射單元的內(nèi)部開一個(gè)中心對稱的窗口縫結(jié)構(gòu)。圖1（c）為雙陷波超寬帶天線的正面，由于陷波中心頻率為3.5 GHz相對較小，使得開縫長度較大，因此本文采用窗口開法。經(jīng)過天線模型優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定天線的參數(shù)如下：

mm，11.5 mm， mm，mm，mm，2 mm， mm，mm， mm， mm，mm，mm， mm，mm，mm。

2 UWB天線陷波特性分析

為了抑制窄帶通信系統(tǒng)WLAN和WiMAX對UWB信號的干擾，本文設(shè)計(jì)的天線通過在橢形輻射器內(nèi)進(jìn)行開窗以及在地面添加矩形寄生單元來實(shí)現(xiàn)UWB天線的雙陷波特性。天線的仿真阻抗圖如圖2所示，由天線的輸入阻抗實(shí)部圖可以看出，在3.5 GHz附近和5.5 GHz附近的陷波阻抗實(shí)部非常大，與50阻抗完全不匹配，而且在3.5 GHz附近和5.5 GHz附近的陷波阻抗虛部正負(fù)變化非常劇烈，因此天線在開縫和添加寄生單元的情況下，可以有效地產(chǎn)生兩個(gè)明顯的陷波特性。

超寬帶陷波天線在中心頻率3.5 GHz下的電流分布圖如圖3（a）所示，由圖中可以看到電流主要集中在正面輻射貼片所開的窗口縫隙周圍，說明開縫窗口的尺寸對3.5 GHz影響較大，窗口縫隙的長度和寬帶的尺寸對天線中心頻率位置和VSWR性能的影響如圖4（a），圖4（b）所示，可以看到縫隙的尺寸變化主要對3.5 GHz有影響，對5.5 GHz的陷波基本沒有影響。超寬帶陷波天線在中心頻率5.5 GHz下的電流分布圖如圖3（b）所示，由圖可以看出在阻帶頻率5.5 GHz處，電流主要集中分布在地面兩個(gè)矩形寄生單元上，寄生單元的尺寸影響著5.5 GHz處陷波的位置和VSWR，寄生單元的寬度和位置尺寸對天線VSWR性能的影響如圖4（c），圖4（d）所示，可以看到寄生單元的尺寸變化主要對5.5 GHz有影響，對3.5 GHz的陷波基本沒有影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

通過仿真計(jì)算對天線各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇之后，制作了天線實(shí)物如圖5所示。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的駐波比進(jìn)行測量，如圖6所示。

天線的陷波范圍處于3.3～4.0 GHz和5～5.85 GHz，與仿真結(jié)果相比，在兩個(gè)陷波頻段稍微偏移，但總體滿足雙陷波特性的設(shè)計(jì)需求，這些偏差是在加工天線實(shí)物和焊接端口時(shí)出現(xiàn)的問題。

天線在3 GHz，6.5 GHz和8.5 Hz頻率點(diǎn)處的仿真遠(yuǎn)場輻射方向圖如圖7所示，天線在E面低頻段內(nèi)具有類似單極子天線的“∞”方向圖，但隨著頻率的不斷升高，天線的輻射方向圖會(huì)產(chǎn)生一定的變化，但總體大概形狀還是保持為“∞”。天線在H面的輻射方向圖近似全向，隨著天線工作頻率的升高，天線的全向輻射特性變差。

在頻帶3～10 GHz范圍內(nèi)，雙阻帶特性超寬帶天線的增益如圖8所示。天線的增益曲線由于在3.5 GHz和5.5 GHz附近有陷波特性，導(dǎo)致這兩個(gè)頻點(diǎn)處的增益明顯降低，阻帶外的增益都比較穩(wěn)定，說明該天線具有良好的陷波特性。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)研究了一種具有雙陷波特性的超寬帶天線。通過使用在輻射器內(nèi)部添加寄生結(jié)構(gòu)和地面開槽的方法分別實(shí)現(xiàn)了3.3～4.0 GHz和5.0～5.85 GHz（WLAN）兩個(gè)阻帶，可以抑制WiMAX和WLAN頻段對超寬帶頻段通信的影響，實(shí)際制作了天線并對其性能進(jìn)行測量。仿真與測試結(jié)果表明，該天線能夠有效地抑制超寬帶通信系統(tǒng)與這兩個(gè)窄帶通信系統(tǒng)間的干擾，具有良好的陷波特性。

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