应用于无线USB的小型超宽带阻带天线

李智勇,刘运林,张 倩,王汇龙

(西南交通大学电磁场与微波研究所,成都610031)

1 引 言

随着个人和商业对无线通信的需求,短距离超宽带无线通信开始引起人们的重视。2002年,FCC批准将3.1～10.6 GHz频段作为超宽带技术的应用。而无线USB超宽带通信由于其成本低廉、方便携带,因而得到了很快的发展。但由于其体积因素的制约,对内置的超宽带天线设计有较高的要求,即在满足高速率传输和低功率消耗等的要求下,要做到整体尺寸小、方便集成。目前已有很多技术来解决这个问题,比如通过微带线的渐变来实现天线的超宽带小型化特性[1,2],通过采取多层或非对称结构减小天线的整体尺寸[3,4],还有通过加入折叠结构来实现超宽带小型化的特性[5,6],这些方法都取得了很好的超宽带效果。然而在FCC规定的频段范围内也覆盖了无线局域网(WLAN)窄带系统的工作频段(5.15～5.825 GHz),为了减小相互干扰,某些系统要求设计的天线具有在这个频段内的带阻功能。实现带阻功能的方法也有很多,比如通过在辐射贴片上开特定形状的缝隙来使其具有带阻功能[7,8]。

本文首先设计了天线1,该天线工作于2.57～11.6 GHz,然后通过增加折叠U形谐振结构,使其同时具有超宽带和带阻特性(天线2),最终天线贴片的尺寸为20 mm×15 mm×3 mm。为了减小了对WLAN的干扰,天线辐射片采用了叉形谐振结构,从而实现频带抑制。该天线尺寸小,制作简单,成本低廉。系统PCB电路板可以直接集成在天线地板上,故很容易在手持终端或者USB无线通信中应用。本文讨论了影响天线阻抗带宽和阻带性能的几个因子,最后给出了天线阻抗带宽的实测结果。

2 天线结构

图1是超宽带天线(天线1)和阻带超宽带天线(天线2)的结构,图2是辐射贴片及其结构展开图。天线辐射片整体尺寸是20 mm×15 mm×3 mm,地板尺寸为22 mm×20 mm×5 mm。

图1 天线整体结构Fig.1 The structure of two antennas

图2 贴片及结构展开图Fig.2 The patch structure of antenna 1

如图所示,天线1和天线2的贴片下方由渐变结构组成,这样可以使得阻抗产生缓慢的变化,从而增加阻抗匹配带宽。仿真结果显示,当夹角 α=35°时宽带阻抗匹配最好。两天线由同轴馈电,经过一段微带线连接到贴片,为了使得阻抗很好地匹配,微带线阻抗应为50 Ψ,根据微带线计算公式:

式中,Er为介质介电常数,H为微带线与地板距离,W为微带线宽,T为铜皮厚度(可以忽略)。先设定微带线与地板的距离为1 mm,填充介质为空气,则根据公式计算出微带线宽为3 mm,根据仿真优化结果,取微带线最终尺寸W2为3 mm,L2为3 mm。两天线贴片上方折叠部分的长度H=3 mm。对于天线2来说,为了产生带阻特性,增加了折叠的U形谐振结构,使得天线在5GHz处产生谐振。

两天线的地板由矩形折叠结构组成,该结构允许PCB电路直接镶嵌在地板上,而且天线的地板可以直接充当PCB的地板,从而整体上减小了系统的尺寸。优化后的各参数为:Wg=22 mm,Lg=20 mm,WP=9 mm,LP=4.5 mm,W1=15 mm,L1=20 mm,H=3 mm,W2=3 mm,L2=3 mm,W3=9 mm,L3=11 mm,L4=9.5 mm,α=35°。

3 仿真与分析

首先对天线1中影响天线整体阻抗带宽的参数(分别为 Wg、α)进行仿真分析,然后对天线 2中影响阻带特性的参数(WP)进行了分析,最后根据优化后的尺寸制作天线实物并进行了测量。Wg对天线1阻抗带宽的影响如图3所示。由图3可以看出,地板长度对天线的低频性能有非常敏感的影响,增加地板长度可以使得更低频率的阻抗带宽性能变好,但同时使得4 GHz附近的带宽响应变差,此时的天线具有双频特性。减小地板长度可使天线在整个频段都有非常好的带宽特性,但是却相应地使天线的低频点变大,带宽减小。天线最后取Wg为22 mm。

图3 Wg对天线1阻抗带宽的影响Fig.3 Effect of Wgof antenna 1 on the impedance matching

α对天线1阻抗带宽的影响如图4所示。由图4可以看到,夹角的变化主要对天线高频段性能有一定的影响。夹角变大,天线高频段性能变好,但中频段(7 GHz附近)的反射参数开始有一定程度的变差。综合考虑,取 α=35°。

图4 α对天线1阻抗带宽的影响Fig.4 Effect ofαon the impedance matching of antenna 1

接下来讨论在天线2中参数 WP对带阻特性的影响,如图5所示。

图5 WP对天线2带阻性能的影响Fig.5 Effect of WPon the impedance matching of antenna 2

由图5可见,U形谐振结构的长度WP对天线的带阻性能有决定性的作用。随着 WP的增加,天线的带阻频率向着低频处移动,而对整个频带的高低频没有很大的影响。整体考虑,取WP=9 mm。

图6和图7是天线2优化后的最终仿真和实测结果,图8为天线2实物图,图9是天线2分别在3 GHz、7 GHz和11GHz时的远场辐射方向图。

图6 天线2反射系数仿真结果Fig.6 Simulated S11curve of antenna 2

图7 天线2反射系数实测结果Fig.7 Measured S11curve of antenna 2

图8 天线2实物Fig.8 Fabricated structure of antenna 2

图9 天线2在3 GHz、7 GHz和11GHz时的辐射方向图Fig.9 Radiation patterns of antenna 2 at 3 GHz,7GHz and 11 GHz

4 结 论

本文提出了一种新型的具有带阻特性的超宽带折叠天线。该天线由渐变结构来扩展阻抗带宽,折叠的U形结构用来产生带阻性能。天线贴片总体尺寸为20 mm×15 mm×3 mm。仿真和实测结果显示,该天线在2.5～4.67 GHz和 6.28～12 GHz内 S11小于-10 dB,有效减小了对WLAN中5 GHz频段的干扰。该天线具有结构简单、制作成本低廉、体积小等优点,且天线的地板可以同时作为PCB电路的地板,从而进一步减小了结构的尺寸。天线适合应用在无线USB超宽带通信以及手持终端设备中。

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