一款新型双陷波超宽带单极子天线设计

赵方雷, 廖同庆, 吴 昇

(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 计算机系,安徽 合肥 230601)

一款新型双陷波超宽带单极子天线设计

赵方雷1, 廖同庆1, 吴 昇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 计算机系,安徽 合肥 230601)

为了有效抑制现有的窄带通信系统对超宽带(Ultra-Wideband,UWB)系统的干扰,文章设计了一种新型双陷波平面超宽带天线。通过在铃形辐射单元上加载互补开口谐振环、在馈电线附件添加非对称U形半波长阻抗谐振器,使得天线在3.4～3.6 GHz和5.1～5.9 GHz频段内实现双陷波特性;研究了实现天线陷波的原理,并分析了天线陷波结构对陷波特性的影响。测试结果表明,该天线辐射方向图和增益特性良好,能够有效地抑制全球微波互联接入(WiMAX)和无线局域网系统(WLAN)的干扰。

超宽带(UWB);平面;双陷波;互补开口谐振环;半波长阻抗谐振器

由于具有传输速率高、抗多径衰落能力强、系统成本和复杂度低等优点,超宽带(Ultra-Wideband,UWB)通信系统被广泛应用在军事通信、车载雷达、数字通信等领域。2002年,美国联邦通信委员会将UWB应用于商业领域[1],工作在3.1～10.6 GHz的UWB通信系统得到了大力发展。超宽带天线作为无线通信系统的重要组成部分,已成为近几年研究的热点。

在UWB通信系统的工作频段内还存在其他窄带通信系统,如无线局域网(WLAN,5.15～5.35 GHz,5.725～5.825 GHz)、IEEE 802.16全球微波互联接入(WiMAX,3.4～3.6 GHz)和C波段卫星通信系统(3.7～4.2 GHz)。这些窄带通信系统会对UWB系统的工作产生干扰,因此需要在UWB频段对这些窄带信号进行有效的抑制。近几年,国内外不少学者对具有陷波功能的UWB天线进行了研究,通过在辐射单元上开槽[2-5]、在接地板上加载槽线结构[6-8]以及在辐射单元附件添加寄生单元[9-11],使天线在特定的频段内实现陷波功能。基于以上研究,本文设计了一种新型UWB天线,通过在铃形辐射单元上加载互补开口谐振环和在馈电线附件添加非对称U形半波长阻抗谐振器来实现双陷波功能。

1 天线结构

UWB天线使用非对称半波长阻抗谐振器和互补开口谐振环实现陷波特性。开口谐振环有电耦合、磁耦合和混合耦合3种方式。电耦合和磁耦合下在中间插入电壁时谐振频率[12]分别为:

(1)

(2)

其中,L和C为谐振单元的自电感和自电容;Lm和Cm为互感电感和互感电容。

对于混合耦合,既有电耦合又有磁耦合,其等效电路为两者的并联形式,在中间插入电壁时谐振频率为:

(3)

本文根据以上分析设计了具有陷波功能的方形互补开口谐振环,天线正面的俯视图如图1所示。

天线设计的具体尺寸如下:a=13 mm,b=3 mm,Fw=1.5 mm,L1=5.6 mm,L2=2 mm,L3=5.2 mm,L4=4.8 mm，W=0.3 mm，W1=0.2 mm,W2=0.3 mm,W3=0.3 mm,g=0.1 mm,t=0.2 mm,d=0.05 mm。

图1 3种耦合陷波结构天线俯视图

该天线使用50 Ω微带线馈电,使用长轴为14 mm、短轴为13 mm的半椭圆结构作为接地板,修剪后半椭圆短轴c=10.5 mm,有效地扩宽了天线的工作带宽,满足了超宽带通信系统的要求。

修剪的椭圆接地板如图2所示。

图2 修剪的椭圆接地板

天线印刷在相对介电常数εr=10.2、厚度0.8 mm的Rogers RT介质板上。

2 天线陷波特性分析

为了深刻了解天线的陷波特性,需要研究非对称U形半波长阻抗谐振器和互补开口谐振环的尺寸参数对天线陷波特性的影响。下面应用HFSS13.0研究半波长阻抗谐振器的长度L1、L2和互补开口谐振环长度L3、L4的变化以及不同耦合方式对天线陷波性能的影响。

(1) 耦合方式对天线陷波性能的影响。互补开口谐振环陷波结构耦合方式对天线陷波性能的影响如图3所示。由图3可知,磁耦合、混合耦合陷波结构均能在WiMAX频段产生陷波特性,并且磁耦合陷波结构在陷波频带的高频处相对于混合耦合陷波结构有更好的矩形度,对WLAN陷波频带影响较小;但是电耦合陷波结构不能在WiMAX频段产生陷波特性,同时存在高次谐波,降低了天线的实用性,因此在下文研究中将其忽略。

图3 互补开口谐振环耦合方式对陷波特性的影响

(2) 互补开口谐振环长度对天线陷波性能的影响。磁耦合互补开口谐振环长度L3和混合耦合开口谐振环长度L4的变化对天线陷波性能的影响如图4所示。由图4可以看出,随着L3、L4的增大,陷波中心频率降低;当L3=5.2 mm,L4=4.8 mm时,陷波中心频率为3.5 GHz,使得天线在WiMAX频段产生陷波。但是混合耦合陷波结构和磁耦合陷波结构均对非对称U形半波长阻抗谐振器的陷波频段产生了一定的影响。

图4 互补开口谐振环长度对陷波特性的影响

(3) 非对称U形半波长阻抗谐振器长度对天线陷波性能的影响。非对称U形半波长阻抗谐振器长度L1、L2的变化对天线陷波性能的影响如图5所示。由图5可知,随着L1、L2的增大,陷波中心频率降低,陷波带宽减小。当L1=5.6 mm,L2=2.0 mm时,陷波中心频率在5.55 GHz,使得天线在WLAN频段产生陷波,并且L1、L2的变化对互补开口谐振环的陷波频段影响十分微弱。

通过以上仿真分析可知,可以通过调节耦合方式、非对称U形半波长阻抗谐振器的长度以及互补开口谐振环的长度实现双陷波特性。为了能够更直观地了解天线的陷波原理,给出了双陷波UWB天线的输入阻抗曲线及等效电路,如图6所示。

图5 U形半波长阻抗谐振器长度对陷波特性的影响

图6 2种耦合陷波结构天线的输入阻抗及等效电路

从图6可以看出,天线在3.5 GHz附近,端口处的阻抗值达到最大,此时回路发生并联谐振,电路开路,电磁能量存储在互补开口谐振环附近;在5.5 GHz附近,端口处的阻抗值近似为0,天线回路发生串联谐振、电路短路,电磁能量存储在U形半波长阻抗谐振器。天线在这2个频率点附近阻抗失配,从而在WiMAX和WLAN频段形成阻带实现陷波。

发生陷波现象时天线电场分布情况如图7所示。由图7可知,验证分析是正确的。

图7 2种耦合陷波结构在3.5、5.5 GHz时的电场分布

3 结果及分析

基于最优天线尺寸制作天线样品,并对天线进行测量。

天线样品如图8所示。

图8 天线样品

天线电压驻波比测量结果和增益仿真结果如图9所示。

电压驻波比测量结果表明,在3.5、5.5 GHz处天线产生了阻带特性,验证了设计的正确性;同时在整个工作的频带内具有比较平坦的增益特性,在3.5、5.5 GHz附近天线的增益显著下降,有效地抑制了WiMAX、WLAN窄带通信系统的干扰。

图9 天线电压驻波比的测量以及增益仿真结果

天线在3.0、4.0和7.0 GHz频率点的E面和H面仿真方向图如图10所示。

由图10可知,天线在E面方向图呈现哑铃形状,类似于偶极子天线的方向图;天线在H面有较好的全向性,可以接收来自各个方向的信号。

图10 磁耦合和混合耦合陷波结构辐射方向图

4 结 论

本文设计了一种新型平面UWB天线,采用修剪的渐变椭圆结构接地板和半椭圆寄生枝节来扩展带宽,并在天线辐射贴片上加载互补开口谐振环和在馈电线附近添加U形半波长阻抗谐振器实现双陷波特性;分析了不同耦合陷波结构、陷波结构长度对陷波特性的影响。本文设计的天线有效地抑制了WiMAX和WLAN窄带系系对UWB通信系统的干扰。天线具有尺寸小、剖面低、辐射特性良好等优点,是一种具有一定使用价值的新型双陷波UWB天线。

[1] Federal Communication Commission.First report and order in the matter of revision of part 15 of the commission’s rules regarding ultra-wideband transmission systems [R].USA:FCC.2002.

[2] KIM Y,KWON D H.CPW-fed planar ultra wideband antenna having a frequency band notch function[J].Electronics Letters,2004,40(7):403-405.

[3] CHU Q X,YANG Y Y.A compact ultrawideband antenna with 3.4/5.5 GHz dual band-notched characteristics[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2008,56(12):3637-3644.

[4] KIM J,CHO C S,LEE J W.5.2 GHz notched ultra-wideband antenna using slot-type SRR[J].Electronics Letters,2006,42(6):315-316.

[5] Medeiros C R,Costa J R,Fernandes C A.Compact tapered slot UWB antenna with WLAN band rejection[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2009,8(4):661-664.

[6] NG J B,SONG Y,YAN Z H,et al.Band-notched UWB printed antenna with an inverted-L-slotted ground[J].Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(1):260-263.

[7] FARROKH-HESHMAT N,NOURINIA J,GHOBADI C.Band-notched ultra-wideband printed open-slot antenna using variable on-ground slits[J].Electronics Letters,2009,45(21):1060-1061.

[8] ANTONIADES M A,ELEFTHERIADES G V.A compact multiband monopole antenna with a defected ground plane[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2008,7:652-655.

[9] KIM K H,CHO Y J,HWANG S H,et al.Band-notched UWB planar monopole antenna with two parasitic patches[J].Electronics Letters,2005,41(14):783-785.

[10] JANG J W,HWANG H Y.An improved band-rejection UWB antenna with resonant patches and a slot[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2009,8(4):299-302.

[11] JUNG J,LEE H,LIM Y C.Compact band-notched ultra-wideband antenna[J].Electronics Letters,2008,44(6):391-392.

[12] 李桐,翟会清,梁昌洪,等.矩形开口谐振环腔间耦合特性研究[J].西安电子科技大学学报(自然科学版),2013,40(1):26-29.

(责任编辑 胡亚敏)

Design of novel double band-notch ultra-wideband monopole antenna

ZHAO Fanglei1, LIAO Tongqing1, WU Sheng2

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

A novel planar ultra-wideband(UWB) antenna with double band-notched characteristics is designed to effectively minimize the interference of existing narrow-band communication system. The bell-shaped radiation patch and the feeder line are loaded with complementary split-ring resonator(CSRR) and asymmetric U-shaped half wavelength impedance resonators, respectively, to achieve the double band-notched characteristics within the frequency range between 3.4-3.6 GHz and 5.1-5.9 GHz. The mechanism of band-notch is discussed and the influence of antenna configuration is analyzed. This antenna is fabricated and tested. The results show that this antenna has good radiation patterns and gain curve and is capable of restraining the interference of both the WiMax and Wireless Local Area Network(WLAN).

ultra-wideband(UWB); plane; double band-notch; complementary split-ring resonator(CSRR); half wavelength impedance resonator

2015-07-30；

2015-09-22

安徽省高校省级自然科学基金资助项目(kj2014A234);教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20123401120008)

赵方雷(1990-),男,山东滨州人,安徽大学硕士生; 廖同庆(1976-),男,安徽宿州人,博士,安徽大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.013

TN822.8

A

1003-5060(2017)02-0205-00