基于S-SCRLHs諧振器的四陷波特性超寬帶天線設計

謝長明，羅海東，張建軍

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基于S-SCRLHs諧振器的四陷波特性超寬帶天線設計

謝長明，羅海東，張建軍

（湖南中移通信技術工程有限公司，湖南長沙 410000）

提出了一種基于雙開口簡化復合左右手(Splited Simplified Composite Right/Left-Handed, S-SCRLHs)諧振器的四陷波特性單極子天線。天線包括切割型圓形貼片、微帶饋電線、帶有梯形缺口的矩形地板和兩個S-SCRLH諧振器，它具有四個諧振點，將S-SCRLHs諧振器耦合在新型單極子超寬帶天線附近，實現四阻帶功能。仿真和測量結果表明，該天線在超寬帶范圍內存在四個阻帶，它們分別是3.6~3.8 GHz WiMax band、4.5~4.9 GHz C band、5.6~6.0 GHz WLAN band、7.2~7.6 GHz X band。通過尺寸優化，最終尺寸定于25 mm×20 mm×1.6 mm，測量結果和仿真結果匹配較好。和其他天線相比，該天線具有尺寸小、多阻帶、選擇性好等特點。

超寬帶天線；單極子；四阻帶；小型化；S-SCRLHs；諧振器

隨著高速無線傳輸技術的發展，美國聯邦通信委員會（Federal Communications Committee, FCC）在2002年宣布將3.1~10.6 GHz的7.5GHz帶寬范圍劃分為超寬帶（Ultra Wideband, UWB）的使用頻帶后[1]，超寬帶通信技術便引起了廣大學者的注意。其中，作為超寬帶通信技術必不可少的一部分，超寬帶天線在近幾年也受到了越來越多的關注[2-3]，許多具有不同形狀輻射貼片的超寬帶天線陸續被提出。

但是，由于超寬帶系統中存在許多潛在的干擾，例如無線局域網（Wireless Local Area Network, WLAN, 5.6~6.0 GHz），全球微波互聯接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX, 3.6~3.8 GHz）就工作在超寬帶頻帶內，因此設計具有多阻帶的超寬帶天線來抑制干擾信號就顯得十分重要。目前，國內外學者在實現具有一個阻帶的超寬帶陷波天線時，使用不同的形狀，例如U型、H型、C型[4-7]。但是，這些方法都只能實現一個阻帶。因此，有學者就利用SCRLH（Simplified Composite Right/Left-Handed）諧振器實現雙阻帶[8]。但是這種超寬帶天線的尺寸較大，不利于集成。還有學者利用C/U形槽來實現雙阻帶[9]，但是該結構過于復雜，不利于集成使用。除此之外，對于三阻帶來說，有學者就利用兩個橢圓狀和一個矩形圓環諧振器產生了三阻帶[10]，但該結構的尺寸偏大且比較復雜。

基于此，本文首次使用新型的S-SCRLHs諧振器，設計了一種新型的具有四阻帶的小型化超寬帶天線，實驗結果表明，該結構具有結構簡單、尺寸較小、性能優異、易調諧等優點。

1 結構設計

設計過程如下：首先，基本的單極子天線是一個切割型圓形貼片，該貼片的形狀是在圓形貼片周圍切割3個小型圓形貼片而得到的。然后，將單個S-SCRLH諧振器耦合在該單極子天線附近，仿真結果表明該天線產生雙陷波特性。接著，通過將S-SCRLHs（耦合兩個S-SCRLH諧振器）耦合在天線附近產生四阻帶特性。

文中所設計的超寬帶陷波天線如圖1所示。從圖1中可以看出，天線的輻射貼片和饋線刻蝕在介質板的頂層，接地面刻蝕在介質板的底層。介質板使用的是FR4，相對介電常數r=4.4，介質板厚度= 1.6 mm，損耗角正切tan=0.002 3，特征阻抗為50 Ω，饋線寬度為3.2 mm。

圖1 超寬帶天線幾何結構

近來，復合左右手傳輸線結構（Composite Right/Left-Handed Transmission Line，CRLH TL）的概念已經被用來設計各種類型的微波設備，簡化復合左右手（Simplified Composite Right/Left-Handed，S-CRLH）傳輸線結構首次在文獻[11]中被提出來。S-CRLH諧振器是由高低阻抗線和有接地孔的貼片組成。和其他傳統的復合左右手傳輸線相比，該S-CRLH諧振器省去了左手電容CL（Capacitive Left），因此該諧振器的設計流程較為簡便。

下面給出簡化復合左右手傳輸線的單元等效電路，如圖2所示。對于簡化復合左右手傳輸線（缺失左手電容CL）來說，LR（Inductance Right）是串聯電感，CR（Capacitive Right）是并聯電容，LL（Inductance Left）是并聯電感，為單元長度。

圖2 簡化復合左右手傳輸線的單元等效電路

串聯阻抗和并聯電導的表達式如下：

= jLR(1)

根據文獻[8-12]所示，S-CRLH諧振器具有雙模特性，兩個諧振頻率由下面兩個公式得到：

(3)

式中：0表示為S-CRLH傳輸線的0模式諧振頻率，主要是由左手部分的電感LL和右手部分的電容CR決定；+1是S-CRLH傳輸線的+1模式諧振頻率，主要由右手部分的電容CR、電感LR和左手部分的電感LL共同決定的。

單極子天線（Ant 1）如圖3（a）所示。根據仿真工具優化，該天線幾何結構主要參數最終確定為：=25 mm，g=9 mm，g=20 mm，f=3.2 mm，=8 mm，n1=9 mm，n2=6 mm，n3=4 mm，n=1 mm。圖4為圖3的相對應電壓駐波比仿真圖。該單極子天線可以產生一個可控的帶寬3.0~11.3 GHz（VSWR＜2）。然后，將諧振器結構耦合在超寬帶天線附近，組成陷波天線。

圖3 超寬帶天線的演化進程

圖4 （a）超寬帶天線的駐波比；（b）H型S-CRLH諧振器的駐波比；（c）S-SCRLH諧振器的駐波比；（d）S-SCRLHs諧振器的駐波比

在簡化復合左右手傳輸線中，串聯電感LR和并聯電容CR是由微帶線尺寸位置決定的，而并聯電感LL是由接地通孔決定的。這就可以很方便地通過控制微帶線的結構來控制阻帶的大小位置。故在圖3（c）中的S-SCRLH傳輸線中，右手電容CR和右手電感LR是由其1、2、3、4共同決定的。

S-CRLH的幾何結構參數如下所示：= 9 mm，= 1.8 mm，= 3.4 mm，= 0.6 mm，= 2 mm，= 0.6 mm。通過仿真可知，該S-CRLH結構分別在4.2 GHz和5.8 GHz具有雙阻帶特性（VSWR＜2）。

S-SCRLH的幾何結構參數如下所示：1=6.3 mm，2=0.24 mm，3=2.6 mm，4=6.6 mm，9=1.7 mm。正如圖3、4所看到的，修正過后的結構比H型結構更加緊湊，阻帶頻率點也與S-CRLH結構相近。

如圖3（d）所示，作者將另外一個較小的修正結構耦合在原來的修正結構上。這種新型結構（S-SCRLHs）在濾除不需要的超寬帶信號時具有較好的簡易性和方便性。圖4（d）給出了該天線的VSWR曲線。

2 尺寸優化

對于復合左右手傳輸線來說，可調諧特性一直是其優勢所在，本文提出來的新型結構也不例外。本文通過電磁仿真工具HFSS13.0對以上提出來的新型結構進行尺寸改進仿真，最終濾除幾個干擾頻段，例如WLAN，WiMAX，C-Band，X-Band等，得到該結構的最優尺寸。

S-SCRLH結構分別在3.7，4.7，5.8，7.4 GHz頻率帶具有四諧振特性。文中所提出來的結構設計參數如下所示：1= 6.3 mm，2= 0.24 mm，3= 2.6 mm，4= 6.6 mm，5= 5.4 mm，6= 5 mm，7= 0.15 mm，8= 1.7 mm，9= 1.7 mm。如圖5所示，本文給出了6、8對阻帶頻率點的影響，其中1、2、3、4依次對應圖中的第1，2，3，4個阻帶。從圖5(a)中可發現當6增大的時候，3變化較為明顯，且相應增大。從圖5(b)中可發現當8增大的時候，4變化較為明顯，會相應減小。

通過上述討論，基本上可以通過調節尺寸來達到所希望濾除的頻率點，由此證明了該傳輸線具有很好的可調諧特性，而且最終尺寸為5.5 mm×7 mm，比上述所說的“H”型傳輸線小得多。綜上所述，該新型傳輸線擁有小尺寸、多阻帶、良好的選擇性等特點。

圖5 W6、W8對電壓駐波比的影響

3 仿真與測試分析

將上述提到的結構進行組合設計、優化，最終得到了具有四阻帶的超寬帶陷波天線，其具體結構如圖6所示，其電壓駐波比(VSWR)仿真與實測對比如圖7所示。其中的測試結果通過安捷倫E5071C矢量網絡分析儀獲得。

圖6 超寬帶陷波天線底部和頂部實物圖

圖7 超寬帶陷波天線的電壓駐波比的仿真與測試圖

從圖7可知，阻帶頻段為：3.6~3.8 GHz，WiMAX波段，4.5~4.9 GHz，C波段，5.6~6.0 GHz，WLAN波段，7.2~7.6 GHz，X波段，具有很高的實用性，最后總的尺寸大小為25 mm×20 mm×1.6 mm。相對于仿真結果，第二個阻帶頻率點的VSWR偏低，帶寬基本保持不變。此外，第四個阻帶點VSWR偏低且向右做了些許偏移。

從整體上來看，該天線的仿真與測試結果是比較吻合的，其中微小的誤差可能由以下幾點因素造成：首先，FR-4的相對介電常數和介質損耗角正切隨著頻率的升高有些不太穩定，尤其是高頻部分偏差比較大；其次，由于制造精密度不夠，使得天線的一些地方出現毛刺，使得諧振頻率發生變化；最后，是人工焊接技術以及實驗測試的環境，使得SMA接觸不良或是接頭上的焊錫分布不均勻，造成一定的損耗。

電壓駐波比是衡量天線帶寬特性的指標之一。但在天線設計當中，還需要考慮天線是否具有穩定的方向圖。由于實驗條件限制，本文只利用仿真軟件HFSS 13.0得出該天線的仿真輻射方向圖。為了證明該天線在給定帶寬具有近似的全向性，本文隨機選取了4，7，9 GHz三個頻率點。圖8給出了在仿真環境下4，7，9 GHz頻率點天線輻射H面(實線)、E面(虛線)方向圖。從圖可以看到，在以上頻率點H面(實線)為圓形，E面(虛線)基本為類“8”型，7 GHz附近因為有阻帶效果，故“8”型效果不好，故可以看出在整個工作頻帶天線具有近似的全向性。

圖8 天線的輻射方向圖（4，7，9 GHz的E面和H面）

為了進一步說明該結構的優越性，表1總結了該天線的性能參數，并將其與最近幾年所報道的陷波天線進行比較。從表中可以清晰地看出，本文所提出的新型天線結構無論在尺寸還是在阻帶個數上都具有優勢，對以后超寬帶陷波天線的設計具有一定的參考價值。

表1 幾種多阻帶天線的性能參數

Tab.1 Comparisons with other proposed UWB antennas with notched band

4 結論

提出一種具有四陷波特性的超寬帶天線。該天線的陷波結構由雙開口簡化復合左右手傳輸線組成。對該陷波天線的參數研究表明，相對于其他天線來說，本文提出來的天線具有更加簡單、易于加工設計、性能更加優異等特點，對以后超寬帶陷波天線的設計具有極大的意義。

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（編輯：陳渝生）

Novel compact ultra-wideband antenna with quad notched bandsbased on S-SCRLHs resonator

XIE Changming, LUO Haidong, ZHANG Jianjun

(Hunan Branch of China Mobile Communication Technology Engineering Co., Ltd, Changsha 410000, China)

A novel compact ultra-wideband (UWB) antenna with a quad band-notched function using S-SCRLHs (splited simplified composite right/left-handed) resonator was presented. The antenna comprised a cutting circular patch, a microstrip feeder, a rectangular floor with a trapezoidal notch and two S-SCRLHs resonators. The S-SCRLHs resonators, which possessed 4 resonance points, were integrated into a novel monopole UWB antenna, the quad band-notched function of the antenna was realized. The simulation and measurement results show that there are four notch bands in the UWB range, which are 3.6－3.8 GHz WiMax band, 4.5－4.9 GHz C band, 5.6－6.0 GHz WLAN band, 7.2－7.6 GHz X band. The final size is set at 25 mm×20 mm×1.6 mm. Both simulation and measurement results are provided with good agreement. Compared with other antennas, the proposed antenna has the advantages of compact size, multi-stopband, and good selectivity.

UWB antenna; monopole; quad notched bands; compact size; S-SCRLHs; resonator

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.018

TN826

A

1001-2028（2017）05-0085-06

2017-02-14

謝長明

國家自然科學基金項目資助（No.61274020）

謝長明（1991－），男，湖南邵陽人，研究生，主要從事電磁場與微波技術研究，E-mail:15700798819@139.com 。

網絡出版時間：2017-05-11 13:28

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1328.018.html