具有带阻特性的超宽带天线研究
2013-10-08胡少文吴毅强张平平周辉林
胡少文,吴毅强,张平平,周辉林,邓 淼
(南昌大学电子信息工程系,江西南昌330031)
0 引言
自2002年美国联邦通信委员会将3.1 10.6 GHz作为超宽带通信频段以来,小型化超宽带(Ultra Wide-band,UWB)天线引起了许多研究者的重要关注。对于所设计的超宽带天线的全向辐射功率必须低于-41.3 dBm/MHz[1]。现如今设计了很多不同的天线来涵盖整个的UWB频段,但在超宽带频带内中已经存在很多微波通信系统,例如无线局域网(WLAN)窄带系统,其工作频段为5.155.825 GHz[2-3]。为了防止无线局域网频段的干扰,需要把这些频段进行屏蔽掉,就必须设计出具有阻带特性的超宽带天线。如今有很多文献[4-7]中提出了很多可以实现带阻特性的方法,该文设计的天线是具有WLAN陷波作用的超宽带天线,天线频带宽度(S11≤-10 dB)3.5 12 GHz,并实现了5.2 6.2 GHz的阻带特性。本文提出了一种在原始单极子天线的辐射贴片上开两个L型槽来实现天线的带阻特性,实测的天线回波损耗都是采用矢量网络分析仪N5230A来测量的。
1 天线结构设计
通过在辐射贴片上开两个L型的槽来实现带阻特性,其L型槽的结构如图1所示,所有的仿真结果都是通过高频仿真软件HFSS来实现的。图1中,天线的介质板材料是相对介电常数为4.4的FR4,厚度为1.6 mm。本文分析了L型槽的尺寸对阻带的影响,最后得出L型槽的最佳尺寸,总尺寸为30 mm×30 mm×1.6 mm。辐射元是印刷在介质板的顶部,单极子天线的宽度为30 mm,长度为(L3+R)19 mm。介质板的尺寸为W×L。该天线由一个矩形金属片和一个半圆组成的辐射元、两个对称梯形地金属片和两个对称的L型的槽组成,其中辐射元和接地的结构对实现天线的超宽频带性能非常重要。采用阻抗为50 Ω的微带线进行共面波导馈电,微带线的宽度为Wf。对于影响天线的因素,主要是由天线的辐射元参数大小和外观、接地的参数大小决定,通过采用高频仿真软件建立模型,对天对天线参数大小进行仿真优化[8]。
图1 天线结构
天线通过采用HFSS高频仿真软件进行仿真和优化得到最后尺寸如表1所示。
表1 天线尺寸 (mm)
天线馈电结构参数由数学方程[9-12]计算得到:
式1 7主要是用于计算共面波导馈电的阻抗,式中 h、εr、εeff、W、Wf、G分别表示介质基板的厚度、基板相对介电常数、基板有效介电常数、基板的宽度、共面波导馈电线的宽度、共面波导馈电线与地面之间的间隙。K(1)、K(0)、K'(1)、K'(0)为第一类完全椭圆积分函数和其补函数。通过采用以上公式可以计算出共面波导的信号微带线的宽度Wf和缝隙宽度G[13-14]。
2 天线的分析与仿真结果
通过HFSS软件来优化单极极子天线,使其阻抗带宽能覆盖超宽带的范围。天线的回波损耗如图2(b)所示,仿真结果显示其阻抗带宽为3.5 12 GHz,其带阻为5.2 6.2 GHz,而测量结果显示其阻抗带宽为 3.4 12 G,其带阻为5.2 6.1 GHz。天线在 4.0,7.0 和 10.0 GHz下的仿真辐射方向图如图2(c)所示。通过商用微波软件HFSS来对天线进行设计和仿真,并且对其设计的天线进行数值分析和优化,以其来获得最大带宽。图2(a)表明天线的制作是按照设计好的天线尺寸大小来进行加工制作的,反射系数S11是通过矢量网络分析仪N5230A来测量的。图2(b)表明回波损耗S11的仿真和实测结果比较吻合。频带宽度(S11≤-10 dB)3.5 12 GHz,相对带宽达110%,比文献[3-7]设计的天线带宽要宽。图2(c)也给出了天线在4.0,7.0和10.0 GHz下的实测辐射方向图。
图2 天线的实物和实测图
天线的增益如图3所示,通过图3可以看出,设计的天线的增益覆盖整个工作频段,在带阻频带范围内增益急剧下降,而且频率在4.7 GHz上,增益最高达到7.58 dB,适合超宽带通信的应用。
图46 分别是参数 L4(W4=8.1 mm,S=0.4),W4(L4=8.6 mm,S=0.4),S(W4=8.1 mm,L4=8.6 mm)对天线回波损耗S11的影响。结果表明参数L4,W4对于天线的带阻特性的影响比较比较大。随着L型槽的长度增加,其带阻范围向低频段延伸。主要是因为在辐射贴片的开槽处,电流会流回馈电部分并且在5.2 6.2 GHz范围产生辐射。L型槽的长度对带阻产生的影响大于其宽度产生的影响。图7为天线在4.0,7.0和10.0 GHz的仿真方向图。仿真和实测结果如图2天线的实物和实测图(b)所示,仿真结果显示当天线 L型槽的最佳优化 L4=8.6 mm,W4=8.1 mm,S=0.4时其阻抗带宽为8.5 GHz(3.5 12 GHz),其带阻为 1.0 GHz(5.2 6.2 GHz)。而实测结果和仿真结果比较吻合,其实测阻抗带宽为8.40 GHz(3.5 11.9 GHz),其带阻为5.2 6.2 GHz。当天线的辐射贴片上开两个L型槽时就可以实现5.2 6.2 GHz带阻特性。实测值与仿真结果有些误差,原因是由加工制作误差所引起,此外SMA接头以及焊接误差也会对回波损耗产生影响。
图3 天线的增益
图4 L4对天线回波损耗S11的影响
图5 W4对天线回波损耗S11的影响
图6 S对天线回波损耗S11的影响
图7 天线的仿真方向图
3 结束语
本文讨论和设计了一种新型的紧凑型具有带组特性的超宽带平面天线。通过在辐射贴片上开两个对称的L型槽来实现带阻功能。最后,所设计的具有带组功能的超宽带天线能够很好的屏蔽掉WLAN频段。仿真和实测结果表明,该设计的天线能够实现超宽带并且在5.2 6.2 GHz的频段实现阻带功能,而且其方向性在整个工作频段范围内基本上实现了全向性。结果表明此超宽带阻带天线具有实用价值。
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