一種采用組合陷波結構的新型超寬帶平面天線

曾文波,趙 嘉, 吳其琦

(廣西工學院 電子信息與控制工程系, 廣西 柳州545006)

1 引 言

超寬帶(Ultra-wideband,UWB)技術是在20 世紀90 年代以后發展起來的一種具有巨大發展潛力的新型無線通信技術,被列為未來通信的十大技術之一。自從美國聯邦通信委員會2002 年將3.1 ～10.6 GHz頻段劃分給民用超寬帶應用后,超寬帶技術的研究和應用得到了迅猛的發展。

天線是無線通信系統中的重要組成部分,其性能直接影響無線通信系統性能的優劣。通常來說,超寬帶天線在其頻段范圍內必須具備很好的電氣特性,例如良好的阻抗匹配、穩定的增益和方向圖。此外,實用的超寬帶天線還必須具有體積小、結構緊湊、制造成本低、易于與有源電路集成等特點。

平面縫隙天線由于具有剖面低、重量輕、易加工、頻帶寬等特點,在小型平面超寬帶天線的設計上得到了廣泛的應用。UWB 縫隙天線多采用寬縫隙結構以獲得足夠的頻率帶寬。近年來,平面寬縫隙天線引起了天線設計者的注意,各種各樣的縫隙結構包括圓形縫隙、橢圓形縫隙以及多邊形縫隙等,都被用于平面UWB 天線的設計,并得出了很好的設計效果。此外,由于3.1 ～10.6 GHz的UWB 頻段覆蓋了一些現有無線局域網使用的頻段例如美國IEEE 802.11a 標 準 頻 段(5.15 ～ 5.35 GHz, 5.725 ～5.825 GHz)以及歐洲的HIPERLAN/2 (5.15 ～5.35 GHz, 5.47 ～5.725 GHz)等, 因此, 在實際 的UWB 通信系統中,必須盡可能地避免UWB 系統與上述窄帶系統間的相互干擾。鑒于此,帶陷波結構、能有效濾除5 ～6 GHz頻率信號的UWB 天線,成為近年UWB 天線設計的一個熱點。

對于UWB 平面天線,可通過多種方法實現并控制其阻帶特性,例如在地板或饋電結構上增加開路枝節[1-2]、在地板或饋電結構增加窄縫隙等[3-4]。此外,基于SRR 結構的帶陷UWB 平面天線也逐漸引起了設計者的興趣[5]。在現有文獻報道中,大多是采用單陷波結構來實現單一的阻帶,雙陷波結構則主要用于實現雙阻帶特性[6]。葉亮華、褚慶昕等人提出了組合陷波結構的概念,即采用雙陷波結構實現單一阻帶的設計思路[7]。單陷波結構一個明顯的缺點是阻帶內天線回波損耗極值不夠大,表現為回波損耗的頻率響應不夠陡峭,導致UWB 通信系統不能有效地濾除由無線局域網設備帶來的干擾。本文首先提出了一種新型UWB 平面寬縫隙天線的設計,研究了天線主要尺寸對阻抗特性的影響,給出了天線電氣性能的仿真和測量結果。在此基礎上,通過在叉型饋電結構中增加開路枝節,同時在地板開細裂縫的辦法,引入了組合陷波結構,通過HFSS 仿真設計,使兩個陷波結構均諧振于預定的阻帶中心頻率,獲得了更為陡峭的阻帶特性。

2 UWB 天線的設計

2.1 天線的結構及工作原理

小型化超寬帶平面天線如圖1 所示,其中(a)為結構示意圖,(b)為加工的實物圖。天線采用廉價的FR4 印刷電路板(PCB)為介質基板,其相對介電常數εr=4.4,介質基板的整體尺寸為30 mm×28 mm×0.8 mm。天線由一個多邊形寬縫隙和共面波導(CPW)饋電結構組成,其中,CPW 饋電結構包含一個叉型輻射單元和一個50 Ψ的CPW 微帶饋線,叉型輻射單元則包含一條帶階梯變換的橫向枝節和兩條縱向枝節。多邊形縫隙和CPW 饋電結構均被腐蝕在PCB 板的同一側,并對稱于寬縫隙的中心線(y 軸)。

圖1 UWB 天線結構圖及加工的天線樣本Fig.1 Configuration of the proposed UWB antenna

采用高頻電磁仿真軟件HFSS 對所設計天線的性能進行了研究,結果表明:天線在UWB 帶寬內的最低工作頻率,主要由多邊型縫隙的寬度及其周長決定;而高頻部分的特性,則是主要由叉形輻射單元的尺寸決定。通過將文獻[1] 提出的五邊形寬縫隙改為七邊形寬縫隙,有效地提高了寬縫隙的周長,降低了天線10 dB下限頻率,相當于減少了天線的尺寸。在實現良好阻抗匹配特性并兼顧提高天線增益的前提下,對天線結構及相關尺寸進行了優化,樣本天線的尺寸參數如下(單位:mm):L =30, W =28,WS=24,W1=7, W2=7, WA=1,WP=2,WD=2, WG=0.35,WM=3.6,WF1=12,WF2=1.5,WF3=2.7,L1=3.6,L2=4.2,LF1=6,LF 2=2.5,LF3=1.5,LG=1。

2.2 天線的電氣性能及分析

采用HP8510C 矢量網絡分析儀對天線樣本的阻抗特性進行了測試。圖2 是UWB 天線回波損耗(Return Loss,RL)以及在最大輻射方向上的增益特性曲線。由圖可見,在2.7 ～12.8 GHz頻率范圍內,樣本天線的回波損耗RL ≤-10 dB,這一頻率范圍覆蓋了3.1 ～10.6 GHz的UWB 頻率帶寬。在整個帶寬內出現了兩個諧振點,經仿真研究發現,其中的高頻諧振點由叉型輻射單元產生,而低頻諧振點則是由叉型結構與多邊形縫隙相互耦合產生的。此外,在整個UWB 帶寬內,天線的增益隨頻率變化不大,基本維持在3 ～4 dBi范圍。

圖2 UWB 天線回波損耗及增益曲線Fig.2 Return loss and boresight gain of the proposed UWB antenna

圖3 給出了天線在3.5 GHz、5.5 GHz、7.0 GHz和9.0 GHz 4 個典型頻率上的方向圖。由圖可見,在H 平面(xoz 平面)內,天線在低頻部分近似為全向輻射,但隨著頻率的增加,天線方向性增強,并逐漸趨向于在上下兩半空間輻射。這主要是因為在低頻部分,叉型輻射單元的尺寸遠比波長小,其輻射機理類似于一個貼片輻射元,在H 面的輻射是均勻的,而隨著頻率的增加,叉形輻射元的尺寸與波長相差不大,叉形輻射元中兩個y 方向的枝節構成的陣因子,削弱了叉形輻射元在x 方向的輻射,造成了天線在z 方向輻射不變而x 方向相對減弱的現象。此外,天線在E 平面(yoz)的方向圖近似為啞鈴形,與平面單極子天線的輻射方向圖類似。

圖3 UWB 天線仿真方向圖Fig.3 Simulated radiation patterns of the proposed UWB antenna

2.3 參數分析

為揭示天線結構對其電氣性能的影響,通過仿真研究,確定了影響天線電氣性能的敏感尺寸,其中包括縫隙寬度WS、叉形輻射元橫向枝接和縱向枝節長總度WF1和LF1、橫向枝節與地板的距離LG。天線的其他參數對阻抗特性影響不大,但可通過對其余參數的修正來優化天線的阻抗特性。為簡化分析,在研究某一參數對阻抗特性的影響時,其他的參數保持不變。

圖4(a)是不同縫隙寬度WS的RL 頻率特性曲線,顯然, WS 主要影響RL 的第一諧振頻率, WS 越寬,第一諧振頻率越低,相應地,天線最低的工作頻率就越低,等效于縮小了天線的面積。但當天線總的寬度W 固定時,太大的WS會引起天線阻抗特性的惡化。為平衡天線小型化與阻抗特性惡化的矛盾,設計中取W=28 mm、WS=24 mm。圖4(b)和(c)分別是不同WF1和LF1的RL 特性曲線。顯然WF1和LF1主要影響RL 的高頻部分,而對低頻部分影響很小,這說明天線在UWB 頻段內的高頻率部分,輻射主要是由叉型結構產生的。圖4(d)是不同LG天線的RL 曲線,由圖可見,在一定范圍內,叉形結構與地板距離LG對天線阻抗影響不大,這種地板對天線性能影響不大的特性,在天線的加工和生產中意義重大。

圖4 WS、WF1、LF1和LG變化時天線回波損耗特性曲線Fig.4 Simulated return losses of p roposed antenna with different WS, WF1, LF1 and LG

3 組合陷波結構UWB 天線設計

在成功設計、制作上述平面UWB 天線的基礎上,通過在叉型結構中間增加一段開路枝接并在天線地板的中部增加一對細裂縫的辦法,構成組合陷波結構的UWB 天線,其結構示意圖如5(a)所示。仿真研究發現,開路枝節和細裂縫均可以諧振在不同的頻點而產生不同的阻帶,但通過合適選擇開路枝節和細裂縫的尺寸參數,可以使他們諧振在同一頻點而獲得更尖銳、更陡峭的阻帶特性。

針對阻帶中心頻率f=5.5 GHz,對該組合陷波結構的UWB 天線進行了優化。優化后陷波結構的尺寸為:DS=1 mm, LS1=7 mm,LS2=6.5 mm, S =0.5 mm,WFS =0.4 mm,LFS =7.6 mm,天線其余尺寸維持不變。圖5(b)是加工天線的實物圖,圖6 是該天線的回波損耗及增益特性曲線。顯然,在2.6 ～5.1 GHz頻率和5.9 ～11.6 范圍內,實測樣本天線的回波損耗RL ≤-10 dB,而5.1 ～5.9 GHz則構成了天線的阻帶。實測的阻帶中心頻率為5.65 GHz,較仿真值偏離了0.15 GHz,此時RL =-1.5 dB。此外,在阻帶頻率范圍內,天線增益明顯下降,在實測阻帶中心頻率f=5.65 GHz處,天線的增益為-4 dBi,比不帶陷波結構天線的增益下降了近10 dB。

圖5 組合陷波結構UWB 天線Fig.5 Configuration of the band-notched antenna design

圖6 組合陷波結構UWB 天線回波損耗及增益Fig.6 Return loss and boresight gain of the proposed assembled band-notched UWB antenna

圖7(a)～(d)分別是組合陷波結構UWB 天線在3.5 GHz、5.5、7.0 GHz和9.0 GHz 4 個典型頻率上的方向圖。對比不帶陷波結構的天線,阻帶外帶陷波結構方向圖形態變化不大,在H 面和E 面分別是近似的全向輻射和啞鈴形雙向輻射,但在阻帶中心頻率f=5.5 處,天線方向圖形態發生畸變。

圖7 組合陷波結構UWB 天線方向圖Fig.7 Simulated radiation pattern of the proposed assembled band-notched UWB antenna

圖8(a)～(d)分別是組合陷波結構UWB 天線在上述4 個頻率點上的面電流大小仿真圖。由圖可見,在f=3.5 GHz處,天線面電流主要分布在共面波導沿線、叉形結構下部和寬縫隙的下邊緣;在f 為7.0 和9.0 GHz處,面電流主要分布在整個叉形輻射元上。顯然,在阻帶頻率外,兩個陷波結構即開路枝節和細裂縫附近的面電流都不大,表明陷波結構的引入對天線電流分布、阻抗特性和輻射特性都沒有顯著的影響。而在阻帶中心頻率f=5.5 GHz處,陷波結構附近激發起很強的電流分布,顯然,正是這個結果引起了天線輸入阻抗的突變,形成陷波效應。

圖8 組合陷波結構UWB 天線面電流分布Fig.8 Simulated electric current distribution of the band-notched antenna

為進一步研究組合陷波結構的陷波效果,對不同陷波結構的天線作了對比研究。圖9 為只有開路枝節、只有細裂縫和同時具有開路枝接和細裂縫(組合陷波)3 種不同陷波結構UWB 天線回波損耗的頻率特性測試曲線。由圖可見,組合陷波結構在阻帶中心頻率處, RL =-1.5 dB,而對于只有開路枝接和只有細裂縫陷波結構的UWB 天線,阻帶中心頻率處的RL 分別為-4.5 dB和-6 dB。顯然,組合陷波結構的引入有效地提高了UWB 天線在5 ～6 GHz阻帶范圍內的陡峭度。

圖9 不同陷波結構UWB 天線的回波損耗Fig.9 Result of return losses for different band-notched structures

4 結 論

本文設計了一種共面波導饋電的平面超寬帶天線,在結構上采用了叉形結構的輻射單元和帶寬縫隙的地板,對影響天線電氣性能的主要尺寸參數進行了研究和分析,給出了天線回波損耗與敏感尺寸參數的關系曲線。與相關文獻的設計比較,本文所設計的天線體積更小,在3.1 ～10.6 GHz頻率范圍具有更好的阻抗特性和穩定的輻射特性。在此基礎上,通過在叉形輻射單元和地板分別增加一段開路微帶枝節和一對倒L 形細裂縫的辦法,使得天線在5.1 ～5.9 GHz頻率范圍內形成良好的陷波效應。研究表明:與常規的單陷波結構UWB 平面天線相比較,組合陷波結構能更有效地提高天線阻帶中心頻率處回波損耗的最大值,使得天線具有更為陡峭的陷波特性,從而使UWB 通信系統能更能有效地抑制無線局域網設備帶來的干擾。

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