具有陷波特性的超寬帶印刷天線設計

摘 要:設計一種具有陷波特性的超寬帶印刷天線，天線采用圓形金屬貼片作為輻射單元，采用微帶線進行饋電，通過在貼片上開四個對稱T形槽來實現陷波功能。利用仿真軟件HFSS 10.0對其進行計算，對天線的阻抗特性、方向圖和增益進行了研究。運算結果表明，該天線在2.26~4.94 GHz和6~11.68 GHz的工作頻帶范圍內電壓駐波比(VSWR)小于2;在4.94~6 GHz的阻帶范圍內具有良好的陷波特性;在阻帶中心頻率(5.48 GHz)處，電壓駐波比高達40。

關鍵詞:超寬帶天線; 陷波特性; 印刷天線; 輻射單元

中圖分類號:TN821文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)08-0127-03

Design of Ultra-wideband Printed Antenna with Band-Notched Characteristic

ZHOU Feng， QIAN Zu-ping， PENG Chuan

(Institute of Communication Engineering， PLA University of Science and Technology， Nanjing 210007， China)

Abstract:A ultra-wideband (UWB) printed antenna with notching characteristic is proposed. A circle metal patch fed by a microstrip is taken as a radiation element . The band-notched function is realized by cutting four symmetrical T-shaped slots in the patch. It was studied experimentally for its impedance bandwidth， radiation patterns and gain by using HFSS software. Simulation results show that within the operation band-width of 2.26 GHz~4.9 GHz and 6.2 GHz~11.68 GHz， the voltage stand wave ratio(VSWR) is lower than 2; within the stop band of 4.9 GHz~6.2 GHz it has a good notching characteristic; and at the center frequency(5.48 GHz) of the stop band， the VSWR is up to 40.

Keywords:ultra-wideband antenna; band-notched characteqistic; printed antenna;radiation element

0 引 言

超寬帶(UWB)天線在無線通信、無線接入、電子對抗等系統中都有著廣泛的應用。2004年美國聯邦通信協會(FCC)批準將3.1~10.6 GHz頻段用于民用。如何在這一頻段內實現天線的超寬帶特性和小型化，已成為國際研究的熱點之一。由于所研究頻段覆蓋了諸如全球定位系統(GPS)、無線局域網(WLAN)等窄帶系統的頻率，為了防止超寬帶和窄帶系統之間的干擾，需要在整個超寬帶頻段內抑制已用的窄頻帶，即“陷波”。

實現陷波功能的一種方法是將UWB天線與一個帶阻濾波器相連接，但這勢必增加系統的復雜性。更經濟的方法是直接采用具有陷波特性的UWB天線。近年來提出了多種實現帶阻的結構，如:文獻[1-2]提出了通過在主貼片兩邊或頂部加載寄生貼片來實現陷波的手段;文獻[3]提出了在環形天線內部加載C型寄生單元實現陷波的技術;文獻[4]提出了通過加載電感電容來實現GPS頻段上的帶阻，并詳細分析了其工作原理。當前，在貼片上開槽[5]是最常用的實現帶阻功能的方法。

本文提出一種采用四對稱T形開槽結構的UWB天線。該天線可覆蓋3.1~10.6 GHz的頻率范圍，并能有效地阻隔5.15~5.35 GHz和5.725~5.825 GHz的WLAN頻段，具有良好的工作特性。

1 天線設計

天線結構如圖1所示。輻射單元采用一個圓形金屬調諧支節，并通過在微帶屏蔽導體上開一個寬矩形槽來實現。圓形金屬片的半徑R=6 mm，采用50 Ω微帶線饋電，微帶線寬度為2 mm，介質基片的相對介電常數εr=2.65、厚度h=1 mm、損耗正切tan δ≤0.001，尺寸為37 mm×35 mm。

為了實現陷波功能，在圓形輻射貼片上開了四個呈對稱分布的T形槽(見圖1)，相當于在天線結構中引入了半波長的諧振結構。當調整四個對稱T形槽的總長至所需抑制頻率的半波長時，在該頻率點及其附近輸入阻抗失配。

圖1 天線結構示意圖

陷波中心頻率與T形槽的關系為:

fnotch=c/(2LTεre)(1)

式中:LT為T形槽的總長;εre為相對有效介電常數;c為光速。

利用電磁仿真軟件HFSS 10.0對天線進行計算，所得結果如圖2所示。可見，該天線開槽后，在4.94~6 GHz頻段內具有良好的陷波特性。

圖2 開槽前后天線的駐波特性

2 天線帶阻特性分析

利用電磁計算軟件HFSS 10.0對天線模型進行分析，對影響天線性能的某些關鍵參數進行了研究，主要研究的參數為T形結構間距l4，l5和饋電點間隙s。

圖3(a)，(b)顯示了天線的T形開槽結構相關參數對陷波特性的影響。由圖可見，l4，l5變長，則陷波中心頻率降低，反之，陷波中心頻率升高。因此，可以通過調節T形槽的長短來實現不同頻段上的陷波功能。

圖4顯示了天線的饋電間隙s改變時，天線輸入駐波比頻率特性的變化情況。由圖可見，饋電點間隙s增大，則陷波中心頻率下降，反之，陷波中心頻率升高。因此，可以調節饋電點間隙s來達到所抑制的頻率點。

分別優化各參數，T形槽參數取:l1=4.2 mm，l2=6.5 mm，l3=7 mm，l4=3.5 mm，l5=1.45 mm，w=0.3 mm，L1=34 mm，L2=17.5 mm。最終得到的VSWR頻率特性如圖5所示。可見，天線在2.26~4.94 GHz和6~11.68 GHz兩段頻帶范圍內VSWR小于2，在4.94~6 GHz的頻帶范圍內實現了陷波。在陷波中心頻率5.48 GHz處VSWR達到40。

圖3 天線駐波比隨T型槽參數的變化

圖4 駐波比隨s的變化特性

圖5 駐波比頻率特性

3 遠場方向圖和增益

阻抗帶寬只是衡量天線帶寬特性的指標之一，天線工作帶寬還受到方向圖帶寬的影響。圖6，圖7分別給出了天線在2.4 GHz，4 GHz，8 GHz，10 GHz等頻點處E面(y-z)和H面(x-z)的歸一化方向圖。圖中顯示，E面歸一化方向圖呈現“8”字形，H面歸一化方向圖在整個頻段內具有近似全向性和對稱性。

圖6 E面(y-z)歸一化方向圖

圖7 H面(x-z)歸一化方向圖

圖8為天線的增益特性曲線。由圖可見，天線在整個工作頻段內具有較好的增益特性，在WLAN(5.2 GHz/5.8 GHz)頻段內，增益顯著下降，表明天線具有明顯的陷波特性。

圖8 天線的增益特性

4 結 語

提出一種具有陷波特性的超寬帶印刷天線。該天線通過調整圓形調諧結構上四個對稱分布T形槽尺寸來獲得陷波特性，使降低超寬帶通信系統與5 GHz頻段WLAN系統之間的干擾成為可能。使用了電磁仿真軟件HFSS 10.0對天線進行計算，并對天線的電壓駐波比特性、輻射方向圖、增益進行了研究。結果表明，該天線在2.26~4.94 GHz和6~11.68 GHz兩頻帶范圍內具有良好的阻抗特性和輻射特性，而在4.94~6 GHz頻帶范圍內進行輻射抑制。該天線尺寸小，具有便于電路集成的平面印刷結構，可作為超寬帶天線的設計方案應用于短距離無線通信設備中。

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