具有帶阻特性的新型超寬帶天線研究*

胡少文,吳毅強,張　云,張平平,周輝林

(南昌大學電子信息工程系,南昌 330031)

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具有帶阻特性的新型超寬帶天線研究*

胡少文,吳毅強*,張云,張平平,周輝林

(南昌大學電子信息工程系,南昌 330031)

摘要:據短距離無線電通信系統對超寬帶天線的要求,提出了一種新型的具有帶阻特性的印刷超寬帶天線。采用在輻射貼片傳輸線旁邊加上2個U形寄生單元來實現天線的帶阻特性,天線的輻射貼片與接地板具有一致的結構,使得天線的輻射方向圖與偶極子天線非常類似。對U形寄生單元的各個參數對帶阻性能的影響進行了研究,仿真結果表明可以方便的通過改變寄生單元的尺寸和位置來改變阻帶的位置和寬度。可實現天線頻帶寬度(S11≤-10 dB)3.5 GHz～14.6 GHz,相對帶寬達123%,并實現了4.9 Ghz～6.1 GHz的阻帶特性,實驗結果表明該天線適用于超寬帶系統的應用。

關鍵詞:超寬帶;U形寄生單元;帶阻功能;微帶饋電

2002年,美國聯邦通信委員會FCC(Federal Communications Commission)批準了3.1 GHz～10.6 GHz頻段運用于商業通信后,UWB(超寬帶)無線通信技術受到了越來越多的關注。作為UWB系統關鍵技術之一的超寬帶天線,其性能的優劣直接決定著UWB通信質量。因此設計一種結構簡單、性能良好的滿足短距離無線通信要求的超寬帶天線具有重大的現實意義。現在已經提出了許多不同的天線來覆蓋整個的UWB頻段[1-2],但是這個頻段中有很多已經存在的無線通信系統,例如無線局域網(WLAN)窄帶系統,其工作頻段為5.15 GHz～5.825 GHz。為了防止來自已用頻譜的干擾,需要對這些頻段進行隔離,這就要求設計具有帶阻功能的超寬帶天線。已經有許多的文獻中提到了可以實現帶阻特性的各種不同方法,例如在天線上開各種不同的縫[3-8],使用調諧支線[9-10]等。本文提出了一種在輻射貼片傳輸線兩旁加入2個U形寄生單元結構的UWB天線,覆蓋了整個UWB頻段,并有效地抑制了5.15 GHz～5.825 GHz的WLAN頻段,同時在整個工作頻帶內具有良好輻射方向圖。

1　天線結構設計

該天線的介質板材料為Rogers RT/duroid 4003,相對介電常數為3.38,損耗正切為0.002 7,厚度為0.8 mm。圖1給出了天線的幾何結構。詳細研究了寄生單元的各個參數對實現帶阻功能的影響,得出了最佳的參數選擇,總尺寸為26 mm×32 mm×0.8 mm。

圖1　天線結構

介質板的尺寸為W×L。該天線由2個矩形金屬片組成的輻射貼片、梯形接地金屬片和2個U型寄生單元組成,其中輻射貼片和接地的結構對實現天線的超寬頻帶性能非常重要。采用阻抗為50 Ω的微帶線進行饋電,金屬帶寬度為W1,輻射貼片與接地板之間的間隔為0.8 mm。其實影響天線輻射性能的因素有好多,主要是由輻射貼片的尺寸和幾何形狀、接地的結構尺寸決定,在HFSS中建立模型,對天線幾何尺寸進行優化。

表1　天線尺寸

2　天線的分析與仿真

首先對未加U型寄生單元的天線進行優化仿真發現地的結構改變可以起到加寬帶寬的作用。如圖2所示是對k1進行優化仿真,發現地的結構和尺寸改變可實現超寬帶帶寬(回波損耗S11≤-10 dB)為3.5 GHz～14.6 GHz,相對帶寬為123%。

圖2　k1對S11的影響

通過在輻射貼片傳輸線兩旁加載U型寄生單元,可以達到阻帶的作用。圖3為未加載U型寄生單元和加載U型寄生單元的回波損耗圖。

由圖3可看出,通過在微帶傳輸線兩旁加載U型寄生條,可以起到阻帶的效果。由于寄生單元與輻射貼片在阻帶內的電流流向相反,使得兩者相互抵消實現了阻帶的功能。

圖3　U型寄生條對S11的影響

為了得到天線結構中U形寄生單元對頻率的影響,在仿真中改變U1,圖4為U1變化時相應的天線阻帶性能的變化。

圖4　U1對阻帶性能的影響

圖5　天線的輻射方向圖

該天線在實現超寬頻帶阻特性的同時,具有對稱的方向圖和良好的增益。圖5(a)、5(b)所示為天線在2.0 GHz、5.0 GHz和10.0 GHz下的仿真輻射方向圖。仿真增益如圖7(c)所示,在3.5 GHz～14.6 GHz全頻帶內,最高增益達到4.12 dB,但是天線的增益在陷波頻段內急劇減少,表明天線對WLAN頻段有很好的抑制作用。

3　天線制作與實測結果

為了驗證所設計的天線的實用性和有效性,利用HFSS對所設計的天線進行了綜合優化,優化的尺寸如表1所示。根據優化后得到的尺寸,對該天線進行實際加工和測試,并利用HP8720B矢量網絡分析儀及功率計對天線實物進行測試,實物圖和測試的反射系數如圖6所示,增益、輻射方向圖如圖7所示。

從圖6可以看出,在3.5 GHz～14.6 GHz頻段內,除了陷波頻段(4.9 GHz～6.1 GHz)外,天線實測的回波損耗曲線基本處于-10 dB以下,實測值與仿真曲線稍有些偏差,主要是由加工誤差所引起,此外SMA接頭以及焊錫的散射效應也會對回波損耗產生影響。該天線基本上能夠滿足微波通信的要求。

從圖7(a)和圖7(b)可以看出,天線的實測輻射方向圖在高頻率點有些偏差,從圖7(c)可以看出實測的增益與仿真的增益基本上吻合,實測值與仿真曲線有些偏差,主要是因為加工誤差和測量誤差所引起的。

圖6　天線實物和實測回波損耗

圖7　實測天線的輻射方向圖和增益圖

4　結論

在超寬帶天線輻射貼片的傳輸線旁邊加載U型寄生單元,改變了天線的電流分布,并可以通過對U型寄生單元尺寸的調節實現阻帶范圍的調節。本文提出的超寬帶天線不但具有良好的阻抗特性和輻射特性,而且在4.9 GHz～6.1 GHz的頻率范圍內具有阻帶特性,可以避免5 GHz無線局域網的干擾。仿真和實測結果表明此超寬帶阻帶天線具有實用價值。

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胡少文(1987-),男,江西南昌人,2011年獲學士學位,現為碩士研究生,主要研究方向為射頻微波技術與天線設計研究,hsw5055613@126.com;

吳毅強(1959-),男,江西上饒人,現任南昌大學電子系教授,碩士生導師,主要從事射頻與微波技術及其應用的教學與研究,wyq555@126.com。

ANovelUltra-WideBandwithBandRejectionCharacterAnalysis*

HUShaowen,WUYingqiang*,ZHANGYun,ZHANGPingping,ZHOUHuilin

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

Abstract:A new printed UWB antenna with a band notched characteristics is proposed according to the requirement of short distance communication for UWB antenna.The band-stop characteristic is achieved by two U-shaped parasitic elements beside the feeding line of the radiation patch.The radiation patch and the ground are with the same structure and the radiation pattern of the proposed antenna is similar to the dipole antenna.A detailed parametric study of the U-shaped parasitic element is presented.Simulated results show that the size and the position of the parasitic element determine the center frequency and the bandwidth of the notched band.With the presented design,the bandwidth(return loss≤-10 dB)starts from 3.5 GHz up to 14.6 GHz that means a relative bandwidth of 123% with a notched band from 4.9 to 6.1 GHz.Measured results confirm that the proposed antenna is suitable for UWB applications.

Key words:Ultra-wideband(UWB);U-shaped parasitic element;band-notched function;micro-strip-feed

doi:EEACC:527010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.009

中圖分類號:TN92

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0622-04

收稿日期:2013-08-28修改日期:2013-09-11

項目來源:國家自然科學基金資助項目(61062009);江西省交通運輸廳科技基金資助項目(2010H0017)