基于U形槽和开口圆环的双陷波超宽带天线

童 波， 吴先良， 肖 龙， 张 量

(1.安徽大学 电子信息工程学院,安徽 合肥 230601; 2.合肥师范学院 电子信息工程学院,安徽 合肥 230601)



基于U形槽和开口圆环的双陷波超宽带天线

童 波1， 吴先良1， 肖 龙1， 张 量2

(1.安徽大学 电子信息工程学院,安徽 合肥 230601; 2.合肥师范学院 电子信息工程学院,安徽 合肥 230601)

文章设计了一种新颖的超宽带天线,天线结构简单、尺寸小并且具有双陷波特性。在接地板上刻蚀1个半圆形口径,该口径带有3个阶梯形缺口,以此激发一个新的谐振频率,从而拓展天线的阻抗带宽;在方形辐射贴片上加载开口圆环,同时在馈线上开U形槽，以获得双陷波特性。仿真和测试结果表明,该天线可以有效地抑制WiMax、C波段卫星通信和WLAN 3种窄带信号的干扰;对开口圆环的参数研究表明,开槽结构能更灵活地控制陷波中心频率;该天线在陷波频段外具有良好的增益和全向辐射特性,满足超宽带通信系统的应用。

超宽带天线;双陷波特性; 开口圆环;U形槽;全向辐射

自从2002年美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)将3.1～10.6 GHz的频段分配给超宽带通信系统[1]以后,超宽带技术的研究在商业领域和学术领域得到了广泛的发展。然而,超宽带天线的设计面临着许多挑战,包括阻抗匹配、辐射稳定性、紧凑尺寸、低制造成本和电磁干扰等问题。其中,电磁干扰问题最为严重,因为超宽带通信系统的工作频段覆盖了其他的窄带通信频段,如全球微波互联网络(WiMax,3.4～3.6 GHz)、C波段卫星通信(3.7～4.2 GHz)和无线局域网(WLAN,5.150～5.825 GHz)等其他通信系统。为了抑制这些频段的电磁干扰,传统方法是使用外接滤波器,但是研究者们更希望在超宽带天线的基础上引入一种陷波结构,为此,2003年Schantz提出了具有频带阻隔效应的陷波天线[2]。

目前,国内外已有很多文献研究了具有陷波特性的超宽带天线[3-11]。产生陷波的主要方式有3种，即加入匹配枝节[3-4]、引入寄生单元[5-6]及开槽[7-11]。其中,加入匹配枝节虽然结构简单,但是由于枝节长度有限,所以陷波频率不能太低;引入寄生单元可能会增大天线辐射面的尺寸;而开槽的方法不仅不会增加天线辐射面的尺寸,而且结构简单,对频带内阻抗匹配影响小,因而被广泛使用。文献[7]提出了一种在矩形贴片上开2个T形槽来实现陷波特性,但只能得到1个陷波,不能同时避免来自不同通信系统的干扰;文献[8]和文献[9]分别通过在贴片上开C形槽、U形槽和L形槽、E形槽得到双陷波特性,但这些形状的开槽方式不能有效地控制陷波中心频率;文献[10]通过改进互补开口谐振环(complementary split-ring resonators,CSRR),使用单个方形CSRR得到双陷波特性,但其陷波带宽很窄,不能完全覆盖干扰频段;文献[11]提出的圆弧状H形槽虽然可以有效地控制陷波中心频率,但结构复杂,天线尺寸较大。

本文设计了一种基于U形槽和开口圆环的双陷波超宽带天线。通过改变开口圆环的多个参数来控制陷波的中心频率,同时在馈线上开U形槽使得天线具有双陷波功能。仿真和实测结果表明,该天线在通带频段范围内(3.00～3.40 GHz、4.20～5.15 GHz和6.00～12.00 GHz)满足电压驻波比小于2,而在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2个陷波频段内电压驻波比大于2。另外,该天线结构简单、尺寸小,在通带内具有全向辐射特性和稳定的增益,使得该天线有一定的实际使用价值。

1 天线结构和设计原理

本文设计的双陷波超宽带天线如图1所示。天线印制在相对介电常数为4.4、厚度为1 mm的FR4板上,由50 Ω微带线进行馈电。天线的基本结构是由1个方形辐射贴片、1个馈线和1个接地板构成。方形贴片的宽为Lt,连接着1个长为L1和宽为W1的馈线。在介质基板的另一面,放置1个长为L和宽为W的导电接地平面。图1中,r为开口圆环的外半径;θ为开口两边的夹角;g为开口圆环外半径与内半径之间的间距。

图1 双陷波超宽带天线

从天线的正面看,通过引入开口圆环和U形槽天线具有了双陷波特性。从原理上说,开口圆环和U形槽的引入相当于在天线中引入1个半波长谐振结构,其总长度可用(1)式近似计算,即

(1)

其中,fnotch为陷波处的中心频率;c为光速;εr为介质板的相对介电常数。天线结构中各参数的具体尺寸见表1所列。

表1 双陷波超宽带天线参数尺寸 mm

为了观察加入开口圆环和U形槽后天线的电压驻波比变化,利用电磁仿真软件HFSS 13.0对天线电压驻波比进行仿真计算,结果如图2所示。

图2 加入缝隙前后天线的电压驻波比

由图2可知,天线加入开口圆环和U形槽后,在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2个频段内产生了陷波。

2 实验结果分析

2.1 开口圆环参数的研究

为了获得3.4～4.2 GHz的陷波,在方形的辐射贴片上加载1个开口圆环,开口圆环的引入会改变天线的电流分布,从而实现陷波功能。

为了研究开口圆环各参数对陷波结果的影响及影响的程度,保持其他参数不变,对开口圆环的参数逐一研究,结果如图3所示。

图3 开口圆环不同参数下的电压驻波比

由图3可知,参数r仅改变0.2 mm,陷波的中心频率就明显发生变化,而且随着r的增加,陷波将向低频位置移动,这与(1)式吻合;随着角度θ的增加,每次增加4°,陷波将向高频位置移动,陷波深度也会增加,但变化并不明显;随着内外环间距g的增加,每次增加0.1 mm,陷波将向高频位置移动,陷波带宽增加,陷波深度也增加。最终,通过不断的仿真优化，将开口圆环的各参数设定为r=4 mm,g=0.2 mm,θ=5°。

通过上述研究发现,开口圆环参数r和g对结果影响较大,参数θ对结果影响较小,这样就可以灵活地调整各参数,达到理想的结果。因此,开口圆环应用于陷波当中更有优势。

2.2 天线陷波原理

为了解释陷波产生的原因以及确认开口圆环和U形槽与2个陷波频段对应的关系,采用HFSS 13.0对天线的表面电流进行计算,观察其电流变化。分别对3.85 GHz和5.50 GHz 2个陷波中心频率进行仿真,结果如图4所示。

图4 2个陷波点的表面电流分布

由图4a可以看出,当天线工作在3.85 GHz时,辐射贴片上的表面电流主要集中在开口圆环周围,此时天线在开口圆环处呈驻波状态,无法正常工作;由图4b可以看出,当天线工作在5.50 GHz时,辐射贴片上的表面电流主要集中在U形槽周围,此时天线在U形槽处呈驻波状态,无法正常工作。

为了进一步确认开口圆环和U形槽与2个陷波频段对应的关系,使用电路模型进行解释[12]。天线的电路等效模型如图5所示。

图5 天线的电路等效模型

图5a为天线加入开口圆环和U形槽的等效电路模型;图5b为天线工作在通带的等效电路模型;图5c为天线工作在3.40～4.20 GHz陷波频段的等效电路模型;图5d为天线工作在5.15～6.00 GHz陷波频段的等效电路模型。

当天线工作在通带频段时,天线的输入阻抗并不会发生变化,它与加入陷波结构前的输入阻抗一样。当天线工作在3.40～4.20 GHz的陷波频段时,引入的开口圆环会改变天线的输入阻抗，其原理为:当引入开口圆环后相当于在电路中串联了一个并联的LC谐振电路,当LC谐振电路发生并联谐振时,天线输入阻抗变得很大,这时,电路呈现开路状态,天线在输入端呈现很大的反射系数,天线呈驻波状态,无法正常工作,即产生了陷波功能。而当天线工作在5.15～6.00 GHz的陷波频段时,引入的U形槽会改变天线的输入阻抗，其原理为:当引入U形槽后相当于在电路中并联了一个串联的LC谐振电路,当LC谐振电路发生串联谐振时,天线输入阻抗变得很小,这时,电路呈现短路状态,天线在输入端也呈现很大的反射系数,天线呈驻波状态,无法正常工作,产生了陷波功能。

2.3 天线实测结果分析

根据以上试验研究得出的数据,加工了天线实物,如图6所示。

图6 天线实物

利用Agilent E5071C矢量网络分析仪对天线进行测试,将得到的电压驻波比与仿真结果进行对比,结果如图7所示。从图7可以看出，测量结果与仿真结果基本吻合,天线在通带频段范围内满足电压驻波比小于2,而在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2个频段内实现了陷波;实测与仿真结果存在微小误差，主要是因为实际的FR4介质板的介电常数会在4.2～4.7之间波动,另外加工精度、介质板的损耗以及SMA接头也会有一定的影响。

图7 双陷波超宽带天线的电压驻波比

天线加入开口圆环和U形槽后的增益如图8所示。从图8可以看出,天线在整个通带频段内增益稳定,而在2个陷波频段处,增益急剧下降,表明天线在此频段将无法工作。从增益角度来看,该天线在通带内能稳定工作,而在陷波处无法工作。

图8 双陷波超宽带天线的增益

超宽带天线工作在3.1～10.6 GHz,与普通的天线相比工作带宽极宽,因此必须考察天线在整个通带内是否具有全向辐射特性。选取4.5、6.5、8.0 GHz 3个频点进行仿真,其归一化方向图如图9所示。

图9 双陷波超宽带天线的辐射方向图

从图9可以看出,天线在3个频点处的H面(x-z)方向图近似为一个圆,而E面(y-z)方向图与偶极子天线类似。测试和仿真结果表明该天线具有全向辐射特性,满足超宽带通信系统的工作要求。

3 结 论

本文设计了一种新颖的双陷波超宽带天线。通过在辐射贴片上加载开口圆环以及在馈线上开U形槽得到双陷波特性。该天线结构简单、尺寸小,在通带内能够稳定地工作,而在3.40～4.20 GHz和5.15～6.00 GHz 2个频段产生陷波,有效地抑制了WiMax、C波段卫星通信和WLAN 3种窄带信号的干扰。对开口圆环的各参数进行研究,结果表明这种陷波结构可以灵活地控制陷波中心频率。此外,通过电流密度分布图和电路原理解释了陷波频段与开口圆环和U形槽的关系。最后,本文对所设计的天线加工制作并测试,测试结果与仿真结果基本吻合,表明了该天线具有较好的陷波特性和辐射特性,能够应用于实际。

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(责任编辑 胡亚敏)

Dual band-notched ultra-wideband antenna based on U-shaped slit and split ring slot

TONG Bo1, WU Xianliang1, XIAO Long1, ZHANG Liang2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China; 2.School of Electronics and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230601, China)

In this paper, a novel ultra-wideband(UWB) antenna is designed, which has the properties of simple structure, small size and dual band-notched function. By etching a semi-circle-shaped aperture with three notched-steps on the ground, additional resonance is excited, and hence much wider impedance bandwidth can be produced. To generate the dual band-notched characteristic, a split ring slot is employed on the radiation element and a U-shaped slit is added on the microstrip line. The results of simulation and measurement show that the proposed antenna efficiently restrains the interference from narrow-band communication system, including WiMax, C-band satellite communication and WLAN. The parametric study of the spilt ring slot indicates that this structure can more flexibly control the central frequency of notched band. In addition, the designed antenna achieves a good gain and exhibits omnidirectional radiation patterns except at notched band, which make it suitable for UWB applications.

ultra-wideband(UWB) antenna; dual band-notched characteristic; split ring slot; U-shaped slit; omnidirectional radiation

2015-05-18；

2015-07-22

国家自然科学基金资助项目(61471001)

童 波(1989-)，男，安徽六安人，安徽大学硕士生；

吴先良(1955-)，男，安徽亳州人，安徽大学教授，博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.014

TN822.8

A

1003-5060(2016)09-1220-06