一种采用组合陷波结构的新型超宽带平面天线

曾文波,赵 嘉, 吴其琦

(广西工学院 电子信息与控制工程系, 广西 柳州545006)

1 引 言

超宽带(Ultra-wideband,UWB)技术是在20 世纪90 年代以后发展起来的一种具有巨大发展潜力的新型无线通信技术,被列为未来通信的十大技术之一。自从美国联邦通信委员会2002 年将3.1 ～10.6 GHz频段划分给民用超宽带应用后,超宽带技术的研究和应用得到了迅猛的发展。

天线是无线通信系统中的重要组成部分,其性能直接影响无线通信系统性能的优劣。通常来说,超宽带天线在其频段范围内必须具备很好的电气特性,例如良好的阻抗匹配、稳定的增益和方向图。此外,实用的超宽带天线还必须具有体积小、结构紧凑、制造成本低、易于与有源电路集成等特点。

平面缝隙天线由于具有剖面低、重量轻、易加工、频带宽等特点,在小型平面超宽带天线的设计上得到了广泛的应用。UWB 缝隙天线多采用宽缝隙结构以获得足够的频率带宽。近年来,平面宽缝隙天线引起了天线设计者的注意,各种各样的缝隙结构包括圆形缝隙、椭圆形缝隙以及多边形缝隙等,都被用于平面UWB 天线的设计,并得出了很好的设计效果。此外,由于3.1 ～10.6 GHz的UWB 频段覆盖了一些现有无线局域网使用的频段例如美国IEEE 802.11a 标 准 频 段(5.15 ～ 5.35 GHz, 5.725 ～5.825 GHz)以及欧洲的HIPERLAN/2 (5.15 ～5.35 GHz, 5.47 ～5.725 GHz)等, 因此, 在实际 的UWB 通信系统中,必须尽可能地避免UWB 系统与上述窄带系统间的相互干扰。鉴于此,带陷波结构、能有效滤除5 ～6 GHz频率信号的UWB 天线,成为近年UWB 天线设计的一个热点。

对于UWB 平面天线,可通过多种方法实现并控制其阻带特性,例如在地板或馈电结构上增加开路枝节[1-2]、在地板或馈电结构增加窄缝隙等[3-4]。此外,基于SRR 结构的带陷UWB 平面天线也逐渐引起了设计者的兴趣[5]。在现有文献报道中,大多是采用单陷波结构来实现单一的阻带,双陷波结构则主要用于实现双阻带特性[6]。叶亮华、褚庆昕等人提出了组合陷波结构的概念,即采用双陷波结构实现单一阻带的设计思路[7]。单陷波结构一个明显的缺点是阻带内天线回波损耗极值不够大,表现为回波损耗的频率响应不够陡峭,导致UWB 通信系统不能有效地滤除由无线局域网设备带来的干扰。本文首先提出了一种新型UWB 平面宽缝隙天线的设计,研究了天线主要尺寸对阻抗特性的影响,给出了天线电气性能的仿真和测量结果。在此基础上,通过在叉型馈电结构中增加开路枝节,同时在地板开细裂缝的办法,引入了组合陷波结构,通过HFSS 仿真设计,使两个陷波结构均谐振于预定的阻带中心频率,获得了更为陡峭的阻带特性。

2 UWB 天线的设计

2.1 天线的结构及工作原理

小型化超宽带平面天线如图1 所示,其中(a)为结构示意图,(b)为加工的实物图。天线采用廉价的FR4 印刷电路板(PCB)为介质基板,其相对介电常数εr=4.4,介质基板的整体尺寸为30 mm×28 mm×0.8 mm。天线由一个多边形宽缝隙和共面波导(CPW)馈电结构组成,其中,CPW 馈电结构包含一个叉型辐射单元和一个50 Ψ的CPW 微带馈线,叉型辐射单元则包含一条带阶梯变换的横向枝节和两条纵向枝节。多边形缝隙和CPW 馈电结构均被腐蚀在PCB 板的同一侧,并对称于宽缝隙的中心线(y 轴)。

图1 UWB 天线结构图及加工的天线样本Fig.1 Configuration of the proposed UWB antenna

采用高频电磁仿真软件HFSS 对所设计天线的性能进行了研究,结果表明:天线在UWB 带宽内的最低工作频率,主要由多边型缝隙的宽度及其周长决定;而高频部分的特性,则是主要由叉形辐射单元的尺寸决定。通过将文献[1] 提出的五边形宽缝隙改为七边形宽缝隙,有效地提高了宽缝隙的周长,降低了天线10 dB下限频率,相当于减少了天线的尺寸。在实现良好阻抗匹配特性并兼顾提高天线增益的前提下,对天线结构及相关尺寸进行了优化,样本天线的尺寸参数如下(单位:mm):L =30, W =28,WS=24,W1=7, W2=7, WA=1,WP=2,WD=2, WG=0.35,WM=3.6,WF1=12,WF2=1.5,WF3=2.7,L1=3.6,L2=4.2,LF1=6,LF 2=2.5,LF3=1.5,LG=1。

2.2 天线的电气性能及分析

采用HP8510C 矢量网络分析仪对天线样本的阻抗特性进行了测试。图2 是UWB 天线回波损耗(Return Loss,RL)以及在最大辐射方向上的增益特性曲线。由图可见,在2.7 ～12.8 GHz频率范围内,样本天线的回波损耗RL ≤-10 dB,这一频率范围覆盖了3.1 ～10.6 GHz的UWB 频率带宽。在整个带宽内出现了两个谐振点,经仿真研究发现,其中的高频谐振点由叉型辐射单元产生,而低频谐振点则是由叉型结构与多边形缝隙相互耦合产生的。此外,在整个UWB 带宽内,天线的增益随频率变化不大,基本维持在3 ～4 dBi范围。

图2 UWB 天线回波损耗及增益曲线Fig.2 Return loss and boresight gain of the proposed UWB antenna

图3 给出了天线在3.5 GHz、5.5 GHz、7.0 GHz和9.0 GHz 4 个典型频率上的方向图。由图可见,在H 平面(xoz 平面)内,天线在低频部分近似为全向辐射,但随着频率的增加,天线方向性增强,并逐渐趋向于在上下两半空间辐射。这主要是因为在低频部分,叉型辐射单元的尺寸远比波长小,其辐射机理类似于一个贴片辐射元,在H 面的辐射是均匀的,而随着频率的增加,叉形辐射元的尺寸与波长相差不大,叉形辐射元中两个y 方向的枝节构成的阵因子,削弱了叉形辐射元在x 方向的辐射,造成了天线在z 方向辐射不变而x 方向相对减弱的现象。此外,天线在E 平面(yoz)的方向图近似为哑铃形,与平面单极子天线的辐射方向图类似。

图3 UWB 天线仿真方向图Fig.3 Simulated radiation patterns of the proposed UWB antenna

2.3 参数分析

为揭示天线结构对其电气性能的影响,通过仿真研究,确定了影响天线电气性能的敏感尺寸,其中包括缝隙宽度WS、叉形辐射元横向枝接和纵向枝节长总度WF1和LF1、横向枝节与地板的距离LG。天线的其他参数对阻抗特性影响不大,但可通过对其余参数的修正来优化天线的阻抗特性。为简化分析,在研究某一参数对阻抗特性的影响时,其他的参数保持不变。

图4(a)是不同缝隙宽度WS的RL 频率特性曲线,显然, WS 主要影响RL 的第一谐振频率, WS 越宽,第一谐振频率越低,相应地,天线最低的工作频率就越低,等效于缩小了天线的面积。但当天线总的宽度W 固定时,太大的WS会引起天线阻抗特性的恶化。为平衡天线小型化与阻抗特性恶化的矛盾,设计中取W=28 mm、WS=24 mm。图4(b)和(c)分别是不同WF1和LF1的RL 特性曲线。显然WF1和LF1主要影响RL 的高频部分,而对低频部分影响很小,这说明天线在UWB 频段内的高频率部分,辐射主要是由叉型结构产生的。图4(d)是不同LG天线的RL 曲线,由图可见,在一定范围内,叉形结构与地板距离LG对天线阻抗影响不大,这种地板对天线性能影响不大的特性,在天线的加工和生产中意义重大。

图4 WS、WF1、LF1和LG变化时天线回波损耗特性曲线Fig.4 Simulated return losses of p roposed antenna with different WS, WF1, LF1 and LG

3 组合陷波结构UWB 天线设计

在成功设计、制作上述平面UWB 天线的基础上,通过在叉型结构中间增加一段开路枝接并在天线地板的中部增加一对细裂缝的办法,构成组合陷波结构的UWB 天线,其结构示意图如5(a)所示。仿真研究发现,开路枝节和细裂缝均可以谐振在不同的频点而产生不同的阻带,但通过合适选择开路枝节和细裂缝的尺寸参数,可以使他们谐振在同一频点而获得更尖锐、更陡峭的阻带特性。

针对阻带中心频率f=5.5 GHz,对该组合陷波结构的UWB 天线进行了优化。优化后陷波结构的尺寸为:DS=1 mm, LS1=7 mm,LS2=6.5 mm, S =0.5 mm,WFS =0.4 mm,LFS =7.6 mm,天线其余尺寸维持不变。图5(b)是加工天线的实物图,图6 是该天线的回波损耗及增益特性曲线。显然,在2.6 ～5.1 GHz频率和5.9 ～11.6 范围内,实测样本天线的回波损耗RL ≤-10 dB,而5.1 ～5.9 GHz则构成了天线的阻带。实测的阻带中心频率为5.65 GHz,较仿真值偏离了0.15 GHz,此时RL =-1.5 dB。此外,在阻带频率范围内,天线增益明显下降,在实测阻带中心频率f=5.65 GHz处,天线的增益为-4 dBi,比不带陷波结构天线的增益下降了近10 dB。

图5 组合陷波结构UWB 天线Fig.5 Configuration of the band-notched antenna design

图6 组合陷波结构UWB 天线回波损耗及增益Fig.6 Return loss and boresight gain of the proposed assembled band-notched UWB antenna

图7(a)～(d)分别是组合陷波结构UWB 天线在3.5 GHz、5.5、7.0 GHz和9.0 GHz 4 个典型频率上的方向图。对比不带陷波结构的天线,阻带外带陷波结构方向图形态变化不大,在H 面和E 面分别是近似的全向辐射和哑铃形双向辐射,但在阻带中心频率f=5.5 处,天线方向图形态发生畸变。

图7 组合陷波结构UWB 天线方向图Fig.7 Simulated radiation pattern of the proposed assembled band-notched UWB antenna

图8(a)～(d)分别是组合陷波结构UWB 天线在上述4 个频率点上的面电流大小仿真图。由图可见,在f=3.5 GHz处,天线面电流主要分布在共面波导沿线、叉形结构下部和宽缝隙的下边缘;在f 为7.0 和9.0 GHz处,面电流主要分布在整个叉形辐射元上。显然,在阻带频率外,两个陷波结构即开路枝节和细裂缝附近的面电流都不大,表明陷波结构的引入对天线电流分布、阻抗特性和辐射特性都没有显著的影响。而在阻带中心频率f=5.5 GHz处,陷波结构附近激发起很强的电流分布,显然,正是这个结果引起了天线输入阻抗的突变,形成陷波效应。

图8 组合陷波结构UWB 天线面电流分布Fig.8 Simulated electric current distribution of the band-notched antenna

为进一步研究组合陷波结构的陷波效果,对不同陷波结构的天线作了对比研究。图9 为只有开路枝节、只有细裂缝和同时具有开路枝接和细裂缝(组合陷波)3 种不同陷波结构UWB 天线回波损耗的频率特性测试曲线。由图可见,组合陷波结构在阻带中心频率处, RL =-1.5 dB,而对于只有开路枝接和只有细裂缝陷波结构的UWB 天线,阻带中心频率处的RL 分别为-4.5 dB和-6 dB。显然,组合陷波结构的引入有效地提高了UWB 天线在5 ～6 GHz阻带范围内的陡峭度。

图9 不同陷波结构UWB 天线的回波损耗Fig.9 Result of return losses for different band-notched structures

4 结 论

本文设计了一种共面波导馈电的平面超宽带天线,在结构上采用了叉形结构的辐射单元和带宽缝隙的地板,对影响天线电气性能的主要尺寸参数进行了研究和分析,给出了天线回波损耗与敏感尺寸参数的关系曲线。与相关文献的设计比较,本文所设计的天线体积更小,在3.1 ～10.6 GHz频率范围具有更好的阻抗特性和稳定的辐射特性。在此基础上,通过在叉形辐射单元和地板分别增加一段开路微带枝节和一对倒L 形细裂缝的办法,使得天线在5.1 ～5.9 GHz频率范围内形成良好的陷波效应。研究表明:与常规的单陷波结构UWB 平面天线相比较,组合陷波结构能更有效地提高天线阻带中心频率处回波损耗的最大值,使得天线具有更为陡峭的陷波特性,从而使UWB 通信系统能更能有效地抑制无线局域网设备带来的干扰。

[ 1] Qing X, Chen Z N.Compact coplanar waveguide-fed ultra-wideband monopole -like slot antenna[ J] .IET Microwaves, Antennas &Propagation,2009,3(5):889-898.

[ 2] Zeng W,Zhao J.Band-notched ultra-wideband monopolelike slot antenna with slit fork-shaped feeding structure[ C]//Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation.Toronto, Canada:IEEE,2010:1-4.

[ 3] Zheng Z A,Chu Q X.CPW-fed ultra-wideband antenna with compact size[J] .Electronics Letters, 2009,45(12):593-594.

[ 4] 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 Propagations, 2008, 56(12):3637-3644.

[ 5] 王盼盼,曹祥玉, 马加俊.基于SRR 结构具有陷波特性的超宽带天线[ J] .电讯技术, 2010,50(10):73-77.

WANG Pan-pan,CAO Xiang-yu, MA Jia-jun.An ultra-wide band Antenna with Band -notched Characteristic Based on SRR Structure[ J] .Telecommunication Engineering,2010, 50(10):73-77.(in Chinese)

[6] 刘起坤, 周波,豆栋梁, 等.具有双陷波特性的超宽带平面天线设计[ J] .现代雷达, 2011,33(2):58-61.

LIU Qi-kun,ZHOU Bo,DOU Dong-liang, et al.Design of Planar Ultra-wide band Antenna with Dual Band-notched Characteristics[ J] .Modern Radar, 2011, 33(2):58 -61.(in Chinese)

[7] 叶亮华, 褚庆昕.一种小型的具有良好陷波特性的超宽带缝隙天线[ J] .电子学报,2010,38(12):2862-2866.

YE Liang-hua, CHU Qing-xin.Improved Notch-Band Slot UWB Antenna with Small Size[ J] .ACTA Electronica Sinica, 2010, 38(12):2862-2866.(in Chinese)