具有雙阻帶特性的新型超寬帶天線研究*

吳毅強(qiáng),張平平,何小洋,胡少文,周輝林

(南昌大學(xué)電子信息工程系,南昌 330031)

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具有雙阻帶特性的新型超寬帶天線研究*

吳毅強(qiáng)*,張平平,何小洋,胡少文,周輝林

(南昌大學(xué)電子信息工程系,南昌 330031)

摘要:通過在天線上開設(shè)不同形狀和尺寸的槽,設(shè)計(jì)和制作了一種新型的采用微帶饋電且具有雙阻帶特性的平面超寬帶天線。通過HFSS對天線仿真并分析,總結(jié)出了槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線阻帶特性的影響規(guī)律。仿真和實(shí)測結(jié)果表明,除阻帶外,天線在3.015 GHz～13.27 GHz頻帶上的VSWR小于2,相對帶寬達(dá)126%,在3.25 GHz～3.6 GHz、5.15 GHz～5.825 GHz具有良好的阻帶特性,較好地避免了系統(tǒng)與Wimax及WLAN之間的干擾。該設(shè)計(jì)天線在工作頻段內(nèi)具有很好的輻射方向性和增益,滿足超寬帶通信的需求。

關(guān)鍵詞:超寬帶;雙阻帶特性;開槽;平面天線

2002年,美國聯(lián)邦通信委員會[1]FCC(Federal Communications Commission)批準(zhǔn)了3.1 GHz～10.6 GHz頻段運(yùn)用于商業(yè)通信后,超寬帶UWB(Ultra-Wide-Band)無線通信技術(shù)因其具有高傳輸速率、低功耗、低成本、抗干擾能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)受到了越來越多的關(guān)注。作為UWB系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一的超寬帶天線,其性能的優(yōu)劣直接決定著UWB通信質(zhì)量。因此設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、性能良好的滿足短距離無線通信求的超寬帶天線具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)在已經(jīng)提出了許多不同的天線來覆蓋整個的UWB頻段,但與此同時,這一頻段與全球微波互聯(lián)接入(WiMax,3.25 GHz～3.6 GHz)、無線局域網(wǎng)(WLAN,5.15 GHz～5.825 GHz)等無線通信的工作頻段存在重合。出于防止相互干擾的目的,對超寬帶天線的設(shè)計(jì)提出了在目標(biāo)頻段實(shí)現(xiàn)帶阻功能的要求。近年來,國內(nèi)外許多文獻(xiàn)描述了用于實(shí)現(xiàn)天線的帶阻特性的方法,例如,通過在天線上開不同形狀的縫隙結(jié)構(gòu)的方法[2-7],使用調(diào)諧支線的方法[8-9],加載寄生單元的方法[10-11]等等。

基于以上的研究背景,本文設(shè)計(jì)了一款新型的微帶饋電平面超寬帶天線,通過在輻射貼片上開槽的方法來實(shí)現(xiàn)所需要的阻帶特性,在3.015 GHz～13.27 GHz的通帶上,有效地實(shí)現(xiàn)了3.25 GHz～3.6 GHz、5.15 GHz～5.825 GHz的陷波,且具有良好的輻射特性。同時研究了縫隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對阻帶特性造成的影響,通過電磁仿真軟件HFSS對天線進(jìn)行了建模和優(yōu)化,得出天線的結(jié)構(gòu)參數(shù),并分析了阻帶產(chǎn)生的原理,最后對天線進(jìn)行了加工制作并測試。實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的天線能很好地滿足超寬帶應(yīng)用的需求。

1　天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該天線使用的介質(zhì)板材料為FR4,εr=4.4,損耗正切tanδ=0.02,基板尺寸為33 mm×28 mm×1.6 mm。天線采用50 Ω的微帶線進(jìn)行饋電。帶阻特性的獲得是通過在輻射貼片不同位置蝕刻2種類型的槽,開槽的標(biāo)準(zhǔn)是阻帶中心頻率對應(yīng)波導(dǎo)波長的四分之一,即在天線中引入了四分之一波長諧振結(jié)構(gòu)。其計(jì)算公式表示為:

(1)

式中:Ls為開槽的有效長度;c為光速;fnotch為阻帶對應(yīng)的中心頻率;εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。根據(jù)式(1)可以估算出各阻帶對應(yīng)的槽的長度Ls。其中天線對WLAN頻段的阻帶是通過在輻射貼片開圓弧型槽實(shí)現(xiàn)的。天線對Wimax頻段的阻帶則是通過開U型形槽實(shí)現(xiàn)的,這種陷波方法被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)各種具有帶阻功能的超寬帶天線中,通過選取U型槽的長度可改變天線在相應(yīng)頻段的電流分布,從而改變天線的阻抗特性以獲得陷波特性,U形槽的長度約為期望阻帶諧振頻率對應(yīng)波長的1/2。圖1所示為天線的幾何結(jié)構(gòu)。在HFSS中建立模型,對天線幾何尺寸進(jìn)行大致優(yōu)化,初步確定天線的尺寸,如表1所示。

圖1　天線的結(jié)構(gòu)

表1天線尺寸

W/mmL/mmH/mmW1/mmW2/mmW3/mmW4/mmWu/mmWn/mm28331．6151293．2102．5L1/mmL2/mmL3/mmL4/mmLu/mmLg/mmLn/mmRw/mmRn/mm123113．57．712．533．53

2　天線的分析與仿真

首先對未開槽的天線進(jìn)行仿真,天線在3.057 GHz～13.52 GHz頻率段S11≤-10 dB;其次對開U型槽的天線進(jìn)行仿真,天線在3.24 GHz～4.15 GHz頻率段S11≥-10 dB;然后對開圓弧型槽的天線進(jìn)行仿真,天線在4.515 GHz～5.51 GHz頻率段S11≥-10 dB;仿真結(jié)果對比圖如圖2所示,表明U型槽起阻隔Wimax,圓弧型槽起阻隔WLAN作用。

圖2　U型槽及圓弧型槽對S11的影響

為了更好了解U型槽長度對阻帶頻率段位置的影響,先對U型槽長度Lu2進(jìn)行大致優(yōu)化,使其在6.0 mm～9.0 mm,間隔為1 mm變化,仿真結(jié)果如圖3所示。發(fā)現(xiàn)阻帶頻率段中心位置隨Lu2的增大而降低,Lu2在8 mm附近吻合WiMax頻段。

圖3　Lu2對S11的影響

為了使阻帶更接近于此頻率段,再對Lu2進(jìn)行更加細(xì)化的優(yōu)化,使其在7.7 mm～8.3 mm,間隔為0.3 mm變化,仿真結(jié)果如圖4所示。天線在Lu2=8 mm時,頻率段5.12～5.831駐波比小于2,最接近于WLAN頻段。

對圓弧的半徑Rw大小進(jìn)行優(yōu)化,使其在3.0 mm～4.0 mm,間隔0.5 mm變化,仿真結(jié)果如圖5所示。發(fā)現(xiàn)阻帶頻率段中心位置隨Rw的增大而降低,Rw在3.5 mm附近吻合WLAN頻段。

再對其進(jìn)行更加細(xì)化的優(yōu)化,使其在3.3 mm～3.7 mm,間隔為0.2 mm變化,仿真結(jié)果如圖6所示。天線在Rw=3.5 mm時,頻率段3.23 GHz～3.75 GHz駐波比小于2,最接近于WiMax頻段。

圖4　對Lu2的細(xì)化

圖5　Rw對S11的影響

圖6　對Rw的細(xì)化

綜上,得到2種類型槽的最優(yōu)尺寸為Lu2=8 mm、Rw=3.5 mm。

對地板結(jié)構(gòu)參數(shù)Wn進(jìn)行分析。使其在1.5 mm～3.5 mm,間隔為1 mm變化,仿真結(jié)果如圖7所示。天線在Wn=2.5 mm,性能最佳。

圖7　Wn對S11的影響

最后對此尺寸天線進(jìn)行仿真,如圖8所示。天線的頻帶寬度(S11≤-10 dB)為3.015 Ghz～13.27 GHz,相對帶寬達(dá)126%,在3.23 GHz～3.75 GHz頻率段S11≥-10 dB,在5.12 GHz～5.831GHz頻率段S11≥-10 dB。

圖8　優(yōu)化后天線的S11曲線圖

圖9(a)、9(b)所示為天線在4.0 GHz、6.0 GHz和8.0 GHz下的仿真輻射方向圖,具有對稱的方向圖和良好的增益。達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖9　天線的輻射方向圖

3　天線制作與實(shí)測結(jié)果

圖10　天線實(shí)物和實(shí)測回波損耗

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的天線的實(shí)用性,根據(jù)上述分析及HFSS優(yōu)化后得到的尺寸,對該天線進(jìn)行實(shí)際的加工制作和測試,并利用AV3620矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及功率計(jì)對天線實(shí)物進(jìn)行測試,天線的實(shí)物圖和測試的反射系數(shù)如圖10所示。天線的增益、輻射方向圖如圖11所示。

圖11　實(shí)測天線的輻射方向圖和增益圖

從圖10可以看出,天線的帶阻頻段的實(shí)測值與仿真曲線有偏差,主要是由制作加工以及測試的誤差導(dǎo)致的。該天線基本上能夠滿足超寬帶通信的要求。

從圖11(a)、11(b)中可以看出,天線的實(shí)測輻射方向圖稍有些偏差,從圖11(c)可以看出實(shí)測的增益與仿真的增益基本上吻合,實(shí)測值與仿真曲線有些偏差,主要是因?yàn)榧庸ふ`差和測量誤差所引起的。

4　結(jié)論

本文提出了一種具有雙阻帶特性的平面超寬帶天線,此天線通過在輻射貼片上開U型和圓弧型槽的方法,實(shí)現(xiàn)了WiMax和WLAN兩個頻段處的帶阻功能。實(shí)際測量結(jié)果表明,本文天線覆蓋了3.1 GHz～10.6 GHz的UWB工作頻段,在3.25 GHz～3.6 GHz、5.15 GHz～5.825 GHz實(shí)現(xiàn)了良好的陷波特性,且具有良好的全向輻射特性。該天線體積小、易加工、且便于集成,非常適用于超寬帶系統(tǒng),有著較好的實(shí)用性和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

[1]Washington D C.First Report and Order,Revision of Part 15 of the Commission’s Rule Regarding Ultra-Wideband Transmission System FCC 02-48[M].USA:Federal Communication Commission,2002:25-85.

[2]Chen Wenshan.Design of the Printed Open Slot for Antenna WIAN/Wimax Operation[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2005,56(4):2163-1169.

[3]Chu Q X,Yang Y Y.A Compact Ultra Wideband Antenna with 3.4/5.5 GHz Dual Band-Notched Characteristics[J].IEEE Transactions on Antennas and propagation,2008,56(12):3637-3644.

[4]Ryu K S,Kishk A A.UWB Antenna with Single or Dual Band-Notches for Lower WLAN Band and Upper WLAN Band[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2009,57(12):3942-3950.

[5]Tang M C.Compact UWB Antenna with Multiple Band-Notches for WIMAX and WLAN[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(4):1372-1376.

[6]Lim C C,Jin P,Ziolkowski R W.Single Dual and Tri-Band-Notched UWB Antennas Using Capacitively Loaded Resonators[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2012,60(1):10 2-109.

[7]吳毅強(qiáng),胡少文,廖昆明,等.一種改進(jìn)的U型槽超寬帶微帶天線研究[J].電子元件與材料,2012,31(9):55-58.

[8]Sun Q,Zh Y J,Li Q,et al.A Planar Ultra-Wideband Antenna with Dual Notched Bands Based on SCRLH Resonator[C]//International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology(ICMMT).Chengdu,China:[s.n.].2010.

[9]Li Z Q,Ruan C L.A Small Integrated Bluetooth and UWB Antenna with WLAN Band-Notched Characteristic[C]//Proceedings of International Symposium on Signals,Systems and Electronics.Nanjing,China:[s.n.].2010.

[10]Yin K,Xu J P.Compact Ultra-Wideband Antenna with Dual Bandstop Characteristic[J].Electronics Letters,2008,44(7):453-454.

[11]Huang J X,Zhang F S,Xie H H,et al.A Hexagonal Ring Antenna with Dual Tunable Band-Notches for Ultra-Wideband Applications[J].Progress In Electromagnetics Research Letters,2009(12):151-159.

[12]Li W T,Shi X W,Hei Y Q.Novel Planar UWB Monopole Antenna with Triple Band Notched Characteristics[J].IEEE Antenna Wireless Propagating Letters,2009(8):1094-1098.

[13]Li Z Q,Ruan C L,Peng L.Design and Analysis of Planar Antenna with Dual WLAN Band-Notched for Integrated Bluetooth and UWB Application[J].Journal of Electroma gnetic Waves and Applications,2010,24(13):1817-1828.

[14]Dissanayake T,Esselle K P.Prediction of the Notch Frequency of Slot Loaded Printed UWB Antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.2007,55(11):3320-3325.

[15]Chu Q X,Yang Y Y.A Compact Ultra Wideband Antenna with 3.4/5.5GHz Dual Band-Notched Characteristics[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.2008,56(12):3637-3644.

[16]Li C M,Ye L M.Improved Dual Band-Notched UWB Slot Antenna with Controllable Notched Bandwidths[J].Progress in Electromagnetics Research,2011,115:477-493.

[17]Chen Wenshan.Design of the Printed Open Slot for Antenna WLAN/Wimax Olperation[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2005,56(4):2163-1169.

[18]Sarkar P,Ghatak R,Pal M,et al.Compact UWB Bandpass Filter with Dual Notches Using Open Circuited Stubs[J].IEEE Microwave and Wireless Components letters,2012,22(9):453-455.

[19]James R.Band-Notched UWB Antenna Incorporating a Microstrip Open-Loop Resonator[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(8):3045-3048.

[20]石亞偉,陳孟剛,劉東卓.具有三阻帶特新的新型平面超寬帶天線的研究[J].電子元件與材料,2013,32(4).

[21]李運(yùn)志,吳先良,蘇雪娟.一種新型具有帶阻特性的超寬帶天線[J].電子科技,2009(9):1-3,7.

[22]Tag M C.Compact UWB Antenna with Multiple Band-Notches for WIMAX and WLAN[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(4):1372-1376.

吳毅強(qiáng)(1959-),男,江西上饒人,現(xiàn)任南昌大學(xué)電子系教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事射頻與微波技術(shù)及其應(yīng)用的教學(xué)與研究,wyq555@126.com;

張平平(1990-),男,江西南昌人,研究生,現(xiàn)就讀于南昌大學(xué)電子系,研究方向?yàn)樯漕l微波技術(shù)與天線設(shè)計(jì),zpp360121@126.com。

ResearchonaNovelUltra-WideBandAntennawithDualBand-RejectionCharacteristic*

WUYiqiang*,ZHANGPingping,HEXiaoyang,HUShaowen,ZHOUhuilin

(Department of Electronic,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Abstract:A novel microstrip-feed dual band-rejection ultra-wideband(UWB)antenna is achieved by cutting slots of different shape and size on it.The relationship between structural parameters of slot and band-rejection characteristic is discussed though simulation on HFSS.The simulated and measured results have shown that the antenna has wideband characteristic from 3.015 GHz to 13.27 GHz,means a relative bandwidth of 126% and good band-rejection characteristic 3.25 GHz from 3.6 GHz and from 5.15 GHz to 5.825 GHz,which can avoid interference between the UWB system and WiMax and WLAN.Moreover,the antenna has good omnidirectional radiation characteristic on non band-rejection band and it can be considered as a good candidate for UWB communications.

Key words:UWB;dual band-notches;slot;planar antennas

doi:EEACC:131010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.016

中圖分類號:TN82

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0871-05

收稿日期:2013-10-25修改日期:2013-11-16

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61062009);2013年江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(YC2013-5061)