基于地板開槽的陷波矩形漸變超寬帶天線設(shè)計

張功國，田海燕

（重慶郵電大學(xué)a.通信新技術(shù)應(yīng)用研究中心;b.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶 400065）

基于地板開槽的陷波矩形漸變超寬帶天線設(shè)計

張功國，田海燕

（重慶郵電大學(xué)a.通信新技術(shù)應(yīng)用研究中心;b.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶 400065）

提出了一種具有陷波特性的UWB天線。該天線用開槽的金屬片作為輻射單元，并通過對地板的開槽處理減小了尺寸。結(jié)合HFSS仿真工具，對天線結(jié)構(gòu)進行理論優(yōu)化并通過大量仿真對天線尺寸進行調(diào)整，設(shè)計出一種基于FR4介質(zhì)的尺寸為25 mm×15 mm×1 mm的天線模型，并設(shè)計模型進行加工測量。該天線的工作頻帶覆蓋3.1～10.6 GHz，并避免了3.5 GHz WiMAX和5.825 GHz WLAN頻段，適于超寬帶無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用.

超寬帶;陷波;天線

【本文獻信息】張功國，田海燕.基于地板開槽的陷波矩形漸變超寬帶天線設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

隨著無線通信的高速發(fā)展，通信系統(tǒng)的小型化和超寬帶越來越備受關(guān)注［1－3］。天線作為無線通信中的重要組成部分，其小型化和超寬帶的研究也隨之成為熱點。特別是2002年FCC（Federal Communications Commission）把3.1 ～10.6 GHz作為 UWB 通信頻段提出以來［4］，國內(nèi)外研究人員［5－7］提出并設(shè)計多種樣式的UWB天線。同時，在整個UWB頻帶內(nèi)存在許多已經(jīng)被使用的窄帶系統(tǒng)，如3.5 GHz WiMAX，5.825 GHz WLAN，因此 UWB 系統(tǒng)會與已經(jīng)存在的窄帶系統(tǒng)形成潛在的相互干擾，降低系統(tǒng)的效能。具有陷波特性的小型化、超寬帶天線成為近年來的研究熱點。

文獻［8－9］采用對輻射片開槽的方式，對超寬帶頻率內(nèi)工作頻段的阻抗進行控制，達到陷波的目的。然而針對輻射的開槽設(shè)計容易導(dǎo)致天線輻射方向圖的改變，對天線在實際環(huán)境中的應(yīng)用產(chǎn)生不利影響;文獻［10－11］提出在饋線的兩側(cè)加載特殊形狀的貼片，影響天線的有效輻射頻段，但所增加貼片設(shè)計復(fù)雜，對相對位置要求嚴格，工程加工的過程中不易實現(xiàn)。本文結(jié)合漸變輻射片的超寬帶特性，以及金屬地板在天線工作中的作用，對輻射片及金屬地板進行開槽處理，在實現(xiàn)天線小型化的基礎(chǔ)上達到陷波的目的。

1 天線設(shè)計

對于基于介質(zhì)的金屬輻射天線，文獻［12］有

式中:L為天線輻射長度;f為天線諧振頻率;εeff為介質(zhì)等效介電常數(shù);c為光在真空中的傳播速度。

對于雙層輻射結(jié)構(gòu)天線有

式中:εr為介質(zhì)相對介電常數(shù);w為金屬貼片寬度;h為介質(zhì)厚度。結(jié)合理論公式與超寬帶天線工作頻段的要求，本文設(shè)計天線模型如圖1所示，其中的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1所示。

為避免超寬帶天線有效輻射頻段內(nèi)各個輻射頻率下輻射方向圖的穩(wěn)定性，設(shè)計采用左右對稱的輻射片與金屬地板。如圖1、表1所示，其中FR4介質(zhì)板的尺寸為L×W，厚度h為1 mm，天線的輻射單元是一個邊緣處剪切掉3個矩形的金屬貼片。矩形漸變方式的金屬貼片實現(xiàn)了天線阻抗的漸變性質(zhì)，達到對天線工作頻段拓展的目的。采用L0×W0的50 Ω微帶進行饋電。背部地板采用開槽的方式優(yōu)化天線較高頻段的阻抗特性，增加天線帶寬。天線加工實物如圖2所示。

圖1 天線的幾何結(jié)構(gòu)

表1 天線幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) mm

圖2 天線實物圖

2 天線實驗研究

整個天線的建模與優(yōu)化仿真采用的軟件是HFSS.10。天線測試以及基于HFSS軟件仿真的結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明在3.5～5.8 GHz范圍內(nèi)天線的電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）大于2，其余頻段內(nèi)駐波比小于2，避免了3.5 GHz WiMAX 和 5.825 GHz WLAN頻段。測試與仿真結(jié)果存在誤差允許范圍內(nèi)的偏差，主要是由于天線加工過程中存在的實際誤差引起的。但總體來看，測試與仿真結(jié)果吻合較好，表明該天線在UWB頻段內(nèi)具有較好的陷波特性。

圖3 天線VSWR的仿真及測試結(jié)果

圖4為對金屬地板開槽前后的仿真結(jié)果對比。開槽的金屬地板改變了天線的輸入阻抗，使天線與微帶饋線實現(xiàn)較好的匹配，拓展了天線的帶寬。圖中實線為金屬地板開槽之后的電壓駐波比，虛線為開槽前的電壓駐波比。

圖4 金屬地板開槽前后VSWR比較

貼片開槽對于天線工作頻率的影響，可以通過對天線輸入阻抗的測量，用LC等效電路的方法進行定性解釋。如圖5所示，在3.5～5.8 GHz范圍內(nèi)，天線輸入阻抗實部減低到20 Ω以下，虛部小于－10，與微帶饋線的阻抗失配較為明顯，致使天線在對該頻段范圍內(nèi)的電磁波的發(fā)射和接收能力下降，阻止該頻段內(nèi)天線與已存在的系統(tǒng)造成干擾。

圖5 天線阻抗

該天線工作頻帶內(nèi)的輻射方向圖如圖6所示。在天線工作頻段內(nèi)，從3～10.6 GHz范圍內(nèi)選擇3 GHz，6 GHz，7 GHz，9 GHz這4個頻點進行方向圖掃描。如圖6所示，天線極化輻射方向圖在工作頻段內(nèi)基本保持不變，交叉隔離度也小于－23 dB。在較低頻段，天線極化隔離度小于－40 dB。該天線滿足超寬帶系統(tǒng)的要求，適用于超寬帶無線通信。

圖6 天線輻射方向圖

天線增益的仿真及測試結(jié)果如圖7所示，隨著工作頻率的增高，天線輻射增益也在增加。由于天線陷波的存在，在陷波頻段范圍內(nèi)，天線增益有所下降。天線在需要避開的3.5 GHz WiMAX和5.825 GHz WLAN頻段增益較低，輻射和吸收該頻段電磁波的能力也較弱，避免了超寬帶天線對已有頻段范圍內(nèi)的窄帶系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

圖7 天線增益的仿真及測試結(jié)果

圖8與圖9為兩個同樣天線相距30 mm時的互耦影響以及群時延。天線S21小于－15 dB，群時延幾乎在所有頻段范圍內(nèi)都小于2 ns，滿足超寬帶通信系統(tǒng)要求。

3 總結(jié)

本文提出了一種基于地板開槽的陷波矩形漸變的超寬帶天線，通過理論分析并結(jié)合HFSS仿真工具對天線進行優(yōu)化分析設(shè)計。通過金屬接地板開槽的方式拓展了天線的帶寬。減小天線體積以及加工復(fù)雜度的同時，避免了與3.5 GHz WiMAX和5.825 GHz WLAN頻段系統(tǒng)的干擾。對天線的實物完成了加工與測試，仿真與實測結(jié)果一致，適于超寬帶無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用。

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Design of Notched Band Rectangular Gradient Ultra－wideband Antenna Based on Slotted Ground Plates

ZHANG Gongguo，TIAN Haiyan

（a.Institute of the Applications of Advanced Telecommunications Technology;b.Chongqing Infarmation Techrology Designing Co.，Ltd.，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

An ultra－wideband antenna with a notched band characteristic is presented.A slotted metal ship is used as radiating element，and the slot of floor is processed to reduce the size of antenna.Combined with FSS，the antenna structure is optimized theoretically and the size of antenna is adjusted through simulations.An antenna model with 25 mm ×15 mm ×1 mm size based on FR4 media is designed and the measured model is also made.The coverage range of the designed antenna is 3.1 ～10.6 GHz，and 3.5 GHz WiMAX and 5.825 GHz WLAN band are avoided.It is applied to ultra－wideband wireless communication system.

UWB;notched band;antenna

TN929.53

A

張功國（1979— ），工程師，碩士，主要從事無線移動通信網(wǎng)絡(luò)的研究;

田海燕（1987— ），碩士生，主研天線與電波傳播。

責任編輯:薛 京

2012－06－27