陷波带宽可控的圆环单极子UWB天线

蔡培君， 廖同庆, 赵方雷(.安徽大学 江准学院，安徽 合肥 30039； .安徽大学 电子信息工程学院,安徽 合肥 3060)

陷波带宽可控的圆环单极子UWB天线

蔡培君1， 廖同庆2, 赵方雷2
(1.安徽大学 江准学院，安徽 合肥 230039； 2.安徽大学 电子信息工程学院,安徽 合肥 230601)

针对现有超宽带(ultra-wideband,UWB)天线陷波带宽难以控制的问题,文章设计了一款陷波带宽可控的圆环单极子UWB天线。采用圆环单极子天线实现UWB特性,使其带宽覆盖3.1～10.6 GHz;采用添加非对称半波长二阶阻抗谐振器实现陷波特性,陷波带宽可以通过调整非对称半波长二阶阻抗谐振器的宽度、位置和间距来控制;设计并加工了一款在5.1～6.0 GHz频段内具有带阻特性的UWB天线,该天线能有效地抑制无线局域网络对UWB系统的影响。测试结果与仿真结果一致,验证了仿真的正确性。

超宽带(UWB);圆环单极子;非对称半波长二阶阻抗谐振器;陷波带宽可控

0 引 言

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。而UWB天线作为无线通信系统的重要组成部分,尤其是圆环单极子UWB天线因具有结构简单、易于加工制作、辐射特性良好等特点,已成为近几年研究的热点。

目前,为了有效抑制UWB天线在其工作频带内与无线局域网(IEEE 802.11a WLAN,5.15～5.825 GHz)[2]之间的相互干扰,在UWB系统内加入带阻滤波器滤除窄频带,但是这不仅增加了系统的复杂度,而且增加了设计的成本。解决该问题的一种简单而有效的方法就是在天线上引入陷波结构,使天线具有陷波功能。研究人员通过在天线结构中引入寄生单元[3-4]、开槽[5-7]、加入调谐枝节[8]等陷波结构,实现了UWB天线的陷波特性。但是,以上方法仅能通过调整陷波结构的大小来控制陷波中心频率,不能有效地控制陷波频带的宽度,降低了天线的实用性。因此,陷波带宽可控是UWB天线设计的一个难点。

本文设计了一款结构简单的圆环单极子天线,并通过在微带馈电线附近添加非对称半波长二阶阻抗谐振器实现陷波功能,选择合适的谐振器长度调节陷波的中心频率,改变非对称二阶阻抗谐振器的宽度、位置和间距,有效地控制陷波的带宽。

1 天线设计

由文献[9]可知,圆形单极子UWB天线的半径为10.02 mm。使用Ansoft HFSS 13.0软件设计了一款圆形单极子UWB天线,天线结构如图1a所示。

图1 圆形天线结构及电压驻波比

天线使用特性阻抗50 Ω的微带线馈电。天线印刷在厚度h=1.60 mm的聚四氟乙烯介质板上,其相对介电常数为4.4,地板尺寸为35.0 mm×10.5 mm。电压驻波比仿真结果如图1b所示,在3.0～11.0 GHz频段内电压驻波比小于等于3。

为了减小天线的尺寸,同时使天线在低频段获得良好的匹配,将圆形辐射贴片改为圆环形辐射贴片,天线结构如图2a所示。其中,外环半径为8.80 mm,内环半径为5.20 mm,地板尺寸为30.00 mm×10.50 mm,天线尺寸比原始模型减小了约27%。电压驻波比仿真结果如图2b所示,在3.0～11.0 GHz频段内电压驻波比小于等于2,满足UWB通信系统的要求。

图2 圆环天线结构及电压驻波比

在圆环单极子UWB天线的基础上,采用半波长阻抗谐振器的方法实现带阻特性,即在微带馈线附近添加非对称半波长二阶阻抗谐振器。

传统半波长阻抗谐振器[10]陷波结构如图3a所示,其中W1=W2,两陷波结构之间相距1/4陷波中心频率所对应的波长。这样的结构不仅具有较大的尺寸,造成天线结构尺寸偏大,而且由于结构的不对称性会对天线的辐射方向图造成不良的影响。而且该结构只是在某一频率点形成陷波特性,不能有效控制陷波带宽。为改变以上不良影响,本文使用非对称半波长二阶阻抗谐振器,如图3b所示。

图3 传统阻抗谐振器与非对称阻抗谐振器

非对称阻抗谐振器中陷波结构的长度和宽度满足:

=2L1+L2

(1)

其中,λg为介质中阻抗中心频率对应的波长,计算公式为:

(2)

利用(1)式和(2)式可以在陷波UWB天线设计的最开始阶段,计算得到非对称半波长二阶阻抗谐振器的总长度。

2 仿真与分析

应用Ansoft HFSS 13.0电磁仿真软件对陷波结构参数进行研究,确定其对天线性能的影响。

2.1 陷波结构宽度L2对陷波特性的影响

在保证非对称二阶阻抗谐振器总长度不变的情况下,谐振器的宽度对陷波带宽的影响如图4所示。

由图4可知，随着宽度L2的增加陷波中心频率向左移动,并且宽度L2由2.00 mm增加到3.00 mm时,陷波带宽由0.6 GHz减小到0.4 GHz,但宽度L2继续增加,由3.00 mm增加到4.00 mm时,陷波带宽由0.4 GHz增大到1.1 GHz,这说明只调整陷波结构的宽度不能有效地控制陷波带宽。

图4 陷波结构宽度对陷波带宽的影响

2.2 陷波结构位置对陷波特性的影响

陷波结构位置对陷波带宽的影响如图5所示。由图5可知,随着陷波结构位置t由2.00 mm增加到4.00 mm,陷波带宽由0.7 GHz减小到0.4 GHz;同时发现陷波结构的位置变化对陷波中心频率影响较小。

图5 陷波结构位置对陷波带宽的影响

2.3 陷波结构间距对陷波特性的影响

陷波结构间距对陷波带宽的影响如图6所示。由图6可知,随着陷波结构间距g由0.10 mm增大到0.50 mm,陷波带宽由1.4 GHz减小到0.6 GHz;同时,随着g的增加电压驻波比有减小的趋势,这与微带馈电线、非对称半波长二阶阻抗谐振器的能量耦合有关。

综上所述,可以通过同时改变陷波结构宽度、位置和间距在一定范围内控制天线陷波的带宽,实现陷波带宽的可控特性。

图6 陷波结构间距对陷波带宽的影响

根据上述分析,使用Ansoft HFSS 13.0优化功能,最终得到非对称二阶阻抗谐振器的最优结构尺寸为:L1=3.00 mm,L2=6.25 mm,W1=0.20 mm,W2=0.50 mm,t=3.00 mm,g=0.10 m,仿真得到的天线电场分布如图7所示。由图7可知,在阻带中心频率5.5 GHz处,电场主要集中在非对称半波长二阶阻抗谐振器附近,造成天线输入阻抗异常,天线在该频率附近产生较大的衰减,形成陷波。

图7 天线在5.5 GHz电场分布

3 测试结果及分析

基于最优天线尺寸制作了天线的样品,如图8a所示,仿真及测量的天线电压驻波比对比和天线增益如图8b和图8c所示。由图8可知,电压驻波比测量结果和仿真结果基本一致,验证了设计的正确性;同时天线在整个工作频带内具有比较平坦的增益特性,在5.5 GHz附近天线的增益显著下降,有效地抑制了WLAN窄带通信系统的干扰。

图8 天线实物、电压驻波比仿真和测量结果以及增益

天线在3.1、5.0、7.0 GHz频率的E面和H面方向图如图9所示。

由图9可以看出,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9 E面和H面辐射方向图

4 结 论

本文设计了一款陷波带宽可控的UWB天线,详细分析了非对称半波长二阶阻抗谐振器的宽度、位置和间距对该天线陷波带宽的影响。基于最优天线尺寸,制作了天线的样品。测试结果表明,该天线带宽覆盖3.1～10.6 GHz,在5.1～6.0 GHz频段内具有良好的陷波特性,可以有效地抑制WLAN窄带通信系统的干扰。该天线结构简单、成本低,而且具有较小的体积和较低的剖面,具有很高的实用价值。

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[8] ZHANG M,YIN Y Z,WEN L H,et al.A slot antenna with band-notched coupling strips for UWB application[C]//International Symposium on Signals Systems and Electronics.[S.l.:s.n]，2010:151-154.

[9] SIM C Y D,CHUANG W T,LEE C H.A circular-disc monopole antenna with band-rejection function for ultrawideband application[J].Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(6):1607-1613.

[10] 杨光.可控带宽的陷波UWB天线研究[D].广州:华南理工大学,2012.

(责任编辑 胡亚敏)

Ultra-wideband circular-ring monopole antenna with controllable notched bandwidth

CAI Peijun1, LIAO Tongqing2, ZHAO Fanglei2

(1.School of Jianghuai, Anhui University, Hefei 230039, China; 2.School of Electronics and Information Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China)

It is difficult to control the notched bandwidth of the ultra-wideband(UWB) antennas. A type of UWB circular-ring monopole antenna with controllable notched bandwidth is presented. Firstly, UWB characteristic covering 3.1-10.6 GHz band is produced by using the circular-ring monopole antenna. Then a pair of asymmetric half-wavelength second-order impedance resonators are added to realize the notched function. The notched bandwidth can be easily achieved by adjusting the width, the position and the gap of the asymmetric half-wavelength second-order impedance resonators. Finally, an UWB antenna with rejection band at 5.1-6.0 GHz is designed and fabricated, which effectively limits the interference from WLAN. Experimental results are consistent with simulation results, thus verifying the validity of the simulation.

ultra-wideband(UWB); circular-ring monopole; asymmetric half-wavelength second-order impedance resonator; controllable notched bandwidth

2015-10-14；

2015-11-30

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20123401120008)

蔡培君(1983-),女,安徽合肥人,安徽大学讲师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.06.012

TN826

A

1003-5060(2017)06-0779-05