應用于無線USB的小型超寬帶阻帶天線

李智勇,劉運林,張 倩,王匯龍

(西南交通大學電磁場與微波研究所,成都610031)

1 引 言

隨著個人和商業對無線通信的需求,短距離超寬帶無線通信開始引起人們的重視。2002年,FCC批準將3.1～10.6 GHz頻段作為超寬帶技術的應用。而無線USB超寬帶通信由于其成本低廉、方便攜帶,因而得到了很快的發展。但由于其體積因素的制約,對內置的超寬帶天線設計有較高的要求,即在滿足高速率傳輸和低功率消耗等的要求下,要做到整體尺寸小、方便集成。目前已有很多技術來解決這個問題,比如通過微帶線的漸變來實現天線的超寬帶小型化特性[1,2],通過采取多層或非對稱結構減小天線的整體尺寸[3,4],還有通過加入折疊結構來實現超寬帶小型化的特性[5,6],這些方法都取得了很好的超寬帶效果。然而在FCC規定的頻段范圍內也覆蓋了無線局域網(WLAN)窄帶系統的工作頻段(5.15～5.825 GHz),為了減小相互干擾,某些系統要求設計的天線具有在這個頻段內的帶阻功能。實現帶阻功能的方法也有很多,比如通過在輻射貼片上開特定形狀的縫隙來使其具有帶阻功能[7,8]。

本文首先設計了天線1,該天線工作于2.57～11.6 GHz,然后通過增加折疊U形諧振結構,使其同時具有超寬帶和帶阻特性(天線2),最終天線貼片的尺寸為20 mm×15 mm×3 mm。為了減小了對WLAN的干擾,天線輻射片采用了叉形諧振結構,從而實現頻帶抑制。該天線尺寸小,制作簡單,成本低廉。系統PCB電路板可以直接集成在天線地板上,故很容易在手持終端或者USB無線通信中應用。本文討論了影響天線阻抗帶寬和阻帶性能的幾個因子,最后給出了天線阻抗帶寬的實測結果。

2 天線結構

圖1是超寬帶天線(天線1)和阻帶超寬帶天線(天線2)的結構,圖2是輻射貼片及其結構展開圖。天線輻射片整體尺寸是20 mm×15 mm×3 mm,地板尺寸為22 mm×20 mm×5 mm。

圖1 天線整體結構Fig.1 The structure of two antennas

圖2 貼片及結構展開圖Fig.2 The patch structure of antenna 1

如圖所示,天線1和天線2的貼片下方由漸變結構組成,這樣可以使得阻抗產生緩慢的變化,從而增加阻抗匹配帶寬。仿真結果顯示,當夾角 α=35°時寬帶阻抗匹配最好。兩天線由同軸饋電,經過一段微帶線連接到貼片,為了使得阻抗很好地匹配,微帶線阻抗應為50 Ψ,根據微帶線計算公式:

式中,Er為介質介電常數,H為微帶線與地板距離,W為微帶線寬,T為銅皮厚度(可以忽略)。先設定微帶線與地板的距離為1 mm,填充介質為空氣,則根據公式計算出微帶線寬為3 mm,根據仿真優化結果,取微帶線最終尺寸W2為3 mm,L2為3 mm。兩天線貼片上方折疊部分的長度H=3 mm。對于天線2來說,為了產生帶阻特性,增加了折疊的U形諧振結構,使得天線在5GHz處產生諧振。

兩天線的地板由矩形折疊結構組成,該結構允許PCB電路直接鑲嵌在地板上,而且天線的地板可以直接充當PCB的地板,從而整體上減小了系統的尺寸。優化后的各參數為:Wg=22 mm,Lg=20 mm,WP=9 mm,LP=4.5 mm,W1=15 mm,L1=20 mm,H=3 mm,W2=3 mm,L2=3 mm,W3=9 mm,L3=11 mm,L4=9.5 mm,α=35°。

3 仿真與分析

首先對天線1中影響天線整體阻抗帶寬的參數(分別為 Wg、α)進行仿真分析,然后對天線 2中影響阻帶特性的參數(WP)進行了分析,最后根據優化后的尺寸制作天線實物并進行了測量。Wg對天線1阻抗帶寬的影響如圖3所示。由圖3可以看出,地板長度對天線的低頻性能有非常敏感的影響,增加地板長度可以使得更低頻率的阻抗帶寬性能變好,但同時使得4 GHz附近的帶寬響應變差,此時的天線具有雙頻特性。減小地板長度可使天線在整個頻段都有非常好的帶寬特性,但是卻相應地使天線的低頻點變大,帶寬減小。天線最后取Wg為22 mm。

圖3 Wg對天線1阻抗帶寬的影響Fig.3 Effect of Wgof antenna 1 on the impedance matching

α對天線1阻抗帶寬的影響如圖4所示。由圖4可以看到,夾角的變化主要對天線高頻段性能有一定的影響。夾角變大,天線高頻段性能變好,但中頻段(7 GHz附近)的反射參數開始有一定程度的變差。綜合考慮,取 α=35°。

圖4 α對天線1阻抗帶寬的影響Fig.4 Effect ofαon the impedance matching of antenna 1

接下來討論在天線2中參數 WP對帶阻特性的影響,如圖5所示。

圖5 WP對天線2帶阻性能的影響Fig.5 Effect of WPon the impedance matching of antenna 2

由圖5可見,U形諧振結構的長度WP對天線的帶阻性能有決定性的作用。隨著 WP的增加,天線的帶阻頻率向著低頻處移動,而對整個頻帶的高低頻沒有很大的影響。整體考慮,取WP=9 mm。

圖6和圖7是天線2優化后的最終仿真和實測結果,圖8為天線2實物圖,圖9是天線2分別在3 GHz、7 GHz和11GHz時的遠場輻射方向圖。

圖6 天線2反射系數仿真結果Fig.6 Simulated S11curve of antenna 2

圖7 天線2反射系數實測結果Fig.7 Measured S11curve of antenna 2

圖8 天線2實物Fig.8 Fabricated structure of antenna 2

圖9 天線2在3 GHz、7 GHz和11GHz時的輻射方向圖Fig.9 Radiation patterns of antenna 2 at 3 GHz,7GHz and 11 GHz

4 結 論

本文提出了一種新型的具有帶阻特性的超寬帶折疊天線。該天線由漸變結構來擴展阻抗帶寬,折疊的U形結構用來產生帶阻性能。天線貼片總體尺寸為20 mm×15 mm×3 mm。仿真和實測結果顯示,該天線在2.5～4.67 GHz和 6.28～12 GHz內 S11小于-10 dB,有效減小了對WLAN中5 GHz頻段的干擾。該天線具有結構簡單、制作成本低廉、體積小等優點,且天線的地板可以同時作為PCB電路的地板,從而進一步減小了結構的尺寸。天線適合應用在無線USB超寬帶通信以及手持終端設備中。

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