基于S-SCRLHs谐振器的四陷波特性超宽带天线设计

谢长明，罗海东，张建军



基于S-SCRLHs谐振器的四陷波特性超宽带天线设计

谢长明，罗海东，张建军

（湖南中移通信技术工程有限公司，湖南长沙 410000）

提出了一种基于双开口简化复合左右手(Splited Simplified Composite Right/Left-Handed, S-SCRLHs)谐振器的四陷波特性单极子天线。天线包括切割型圆形贴片、微带馈电线、带有梯形缺口的矩形地板和两个S-SCRLH谐振器，它具有四个谐振点，将S-SCRLHs谐振器耦合在新型单极子超宽带天线附近，实现四阻带功能。仿真和测量结果表明，该天线在超宽带范围内存在四个阻带，它们分别是3.6~3.8 GHz WiMax band、4.5~4.9 GHz C band、5.6~6.0 GHz WLAN band、7.2~7.6 GHz X band。通过尺寸优化，最终尺寸定于25 mm×20 mm×1.6 mm，测量结果和仿真结果匹配较好。和其他天线相比，该天线具有尺寸小、多阻带、选择性好等特点。

超宽带天线；单极子；四阻带；小型化；S-SCRLHs；谐振器

随着高速无线传输技术的发展，美国联邦通信委员会（Federal Communications Committee, FCC）在2002年宣布将3.1~10.6 GHz的7.5GHz带宽范围划分为超宽带（Ultra Wideband, UWB）的使用频带后[1]，超宽带通信技术便引起了广大学者的注意。其中，作为超宽带通信技术必不可少的一部分，超宽带天线在近几年也受到了越来越多的关注[2-3]，许多具有不同形状辐射贴片的超宽带天线陆续被提出。

但是，由于超宽带系统中存在许多潜在的干扰，例如无线局域网（Wireless Local Area Network, WLAN, 5.6~6.0 GHz），全球微波互联接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX, 3.6~3.8 GHz）就工作在超宽带频带内，因此设计具有多阻带的超宽带天线来抑制干扰信号就显得十分重要。目前，国内外学者在实现具有一个阻带的超宽带陷波天线时，使用不同的形状，例如U型、H型、C型[4-7]。但是，这些方法都只能实现一个阻带。因此，有学者就利用SCRLH（Simplified Composite Right/Left-Handed）谐振器实现双阻带[8]。但是这种超宽带天线的尺寸较大，不利于集成。还有学者利用C/U形槽来实现双阻带[9]，但是该结构过于复杂，不利于集成使用。除此之外，对于三阻带来说，有学者就利用两个椭圆状和一个矩形圆环谐振器产生了三阻带[10]，但该结构的尺寸偏大且比较复杂。

基于此，本文首次使用新型的S-SCRLHs谐振器，设计了一种新型的具有四阻带的小型化超宽带天线，实验结果表明，该结构具有结构简单、尺寸较小、性能优异、易调谐等优点。

1 结构设计

设计过程如下：首先，基本的单极子天线是一个切割型圆形贴片，该贴片的形状是在圆形贴片周围切割3个小型圆形贴片而得到的。然后，将单个S-SCRLH谐振器耦合在该单极子天线附近，仿真结果表明该天线产生双陷波特性。接着，通过将S-SCRLHs（耦合两个S-SCRLH谐振器）耦合在天线附近产生四阻带特性。

文中所设计的超宽带陷波天线如图1所示。从图1中可以看出，天线的辐射贴片和馈线刻蚀在介质板的顶层，接地面刻蚀在介质板的底层。介质板使用的是FR4，相对介电常数r=4.4，介质板厚度= 1.6 mm，损耗角正切tan=0.002 3，特征阻抗为50 Ω，馈线宽度为3.2 mm。

图1 超宽带天线几何结构

近来，复合左右手传输线结构（Composite Right/Left-Handed Transmission Line，CRLH TL）的概念已经被用来设计各种类型的微波设备，简化复合左右手（Simplified Composite Right/Left-Handed，S-CRLH）传输线结构首次在文献[11]中被提出来。S-CRLH谐振器是由高低阻抗线和有接地孔的贴片组成。和其他传统的复合左右手传输线相比，该S-CRLH谐振器省去了左手电容CL（Capacitive Left），因此该谐振器的设计流程较为简便。

下面给出简化复合左右手传输线的单元等效电路，如图2所示。对于简化复合左右手传输线（缺失左手电容CL）来说，LR（Inductance Right）是串联电感，CR（Capacitive Right）是并联电容，LL（Inductance Left）是并联电感，为单元长度。

图2 简化复合左右手传输线的单元等效电路

串联阻抗和并联电导的表达式如下：

= jLR(1)

根据文献[8-12]所示，S-CRLH谐振器具有双模特性，两个谐振频率由下面两个公式得到：

(3)

式中：0表示为S-CRLH传输线的0模式谐振频率，主要是由左手部分的电感LL和右手部分的电容CR决定；+1是S-CRLH传输线的+1模式谐振频率，主要由右手部分的电容CR、电感LR和左手部分的电感LL共同决定的。

单极子天线（Ant 1）如图3（a）所示。根据仿真工具优化，该天线几何结构主要参数最终确定为：=25 mm，g=9 mm，g=20 mm，f=3.2 mm，=8 mm，n1=9 mm，n2=6 mm，n3=4 mm，n=1 mm。图4为图3的相对应电压驻波比仿真图。该单极子天线可以产生一个可控的带宽3.0~11.3 GHz（VSWR＜2）。然后，将谐振器结构耦合在超宽带天线附近，组成陷波天线。

图3 超宽带天线的演化进程

图4 （a）超宽带天线的驻波比；（b）H型S-CRLH谐振器的驻波比；（c）S-SCRLH谐振器的驻波比；（d）S-SCRLHs谐振器的驻波比

在简化复合左右手传输线中，串联电感LR和并联电容CR是由微带线尺寸位置决定的，而并联电感LL是由接地通孔决定的。这就可以很方便地通过控制微带线的结构来控制阻带的大小位置。故在图3（c）中的S-SCRLH传输线中，右手电容CR和右手电感LR是由其1、2、3、4共同决定的。

S-CRLH的几何结构参数如下所示：= 9 mm，= 1.8 mm，= 3.4 mm，= 0.6 mm，= 2 mm，= 0.6 mm。通过仿真可知，该S-CRLH结构分别在4.2 GHz和5.8 GHz具有双阻带特性（VSWR＜2）。

S-SCRLH的几何结构参数如下所示：1=6.3 mm，2=0.24 mm，3=2.6 mm，4=6.6 mm，9=1.7 mm。正如图3、4所看到的，修正过后的结构比H型结构更加紧凑，阻带频率点也与S-CRLH结构相近。

如图3（d）所示，作者将另外一个较小的修正结构耦合在原来的修正结构上。这种新型结构（S-SCRLHs）在滤除不需要的超宽带信号时具有较好的简易性和方便性。图4（d）给出了该天线的VSWR曲线。

2 尺寸优化

对于复合左右手传输线来说，可调谐特性一直是其优势所在，本文提出来的新型结构也不例外。本文通过电磁仿真工具HFSS13.0对以上提出来的新型结构进行尺寸改进仿真，最终滤除几个干扰频段，例如WLAN，WiMAX，C-Band，X-Band等，得到该结构的最优尺寸。

S-SCRLH结构分别在3.7，4.7，5.8，7.4 GHz频率带具有四谐振特性。文中所提出来的结构设计参数如下所示：1= 6.3 mm，2= 0.24 mm，3= 2.6 mm，4= 6.6 mm，5= 5.4 mm，6= 5 mm，7= 0.15 mm，8= 1.7 mm，9= 1.7 mm。如图5所示，本文给出了6、8对阻带频率点的影响，其中1、2、3、4依次对应图中的第1，2，3，4个阻带。从图5(a)中可发现当6增大的时候，3变化较为明显，且相应增大。从图5(b)中可发现当8增大的时候，4变化较为明显，会相应减小。

通过上述讨论，基本上可以通过调节尺寸来达到所希望滤除的频率点，由此证明了该传输线具有很好的可调谐特性，而且最终尺寸为5.5 mm×7 mm，比上述所说的“H”型传输线小得多。综上所述，该新型传输线拥有小尺寸、多阻带、良好的选择性等特点。

图5 W6、W8对电压驻波比的影响

3 仿真与测试分析

将上述提到的结构进行组合设计、优化，最终得到了具有四阻带的超宽带陷波天线，其具体结构如图6所示，其电压驻波比(VSWR)仿真与实测对比如图7所示。其中的测试结果通过安捷伦E5071C矢量网络分析仪获得。

图6 超宽带陷波天线底部和顶部实物图

图7 超宽带陷波天线的电压驻波比的仿真与测试图

从图7可知，阻带频段为：3.6~3.8 GHz，WiMAX波段，4.5~4.9 GHz，C波段，5.6~6.0 GHz，WLAN波段，7.2~7.6 GHz，X波段，具有很高的实用性，最后总的尺寸大小为25 mm×20 mm×1.6 mm。相对于仿真结果，第二个阻带频率点的VSWR偏低，带宽基本保持不变。此外，第四个阻带点VSWR偏低且向右做了些许偏移。

从整体上来看，该天线的仿真与测试结果是比较吻合的，其中微小的误差可能由以下几点因素造成：首先，FR-4的相对介电常数和介质损耗角正切随着频率的升高有些不太稳定，尤其是高频部分偏差比较大；其次，由于制造精密度不够，使得天线的一些地方出现毛刺，使得谐振频率发生变化；最后，是人工焊接技术以及实验测试的环境，使得SMA接触不良或是接头上的焊锡分布不均匀，造成一定的损耗。

电压驻波比是衡量天线带宽特性的指标之一。但在天线设计当中，还需要考虑天线是否具有稳定的方向图。由于实验条件限制，本文只利用仿真软件HFSS 13.0得出该天线的仿真辐射方向图。为了证明该天线在给定带宽具有近似的全向性，本文随机选取了4，7，9 GHz三个频率点。图8给出了在仿真环境下4，7，9 GHz频率点天线辐射H面(实线)、E面(虚线)方向图。从图可以看到，在以上频率点H面(实线)为圆形，E面(虚线)基本为类“8”型，7 GHz附近因为有阻带效果，故“8”型效果不好，故可以看出在整个工作频带天线具有近似的全向性。

图8 天线的辐射方向图（4，7，9 GHz的E面和H面）

为了进一步说明该结构的优越性，表1总结了该天线的性能参数，并将其与最近几年所报道的陷波天线进行比较。从表中可以清晰地看出，本文所提出的新型天线结构无论在尺寸还是在阻带个数上都具有优势，对以后超宽带陷波天线的设计具有一定的参考价值。

表1 几种多阻带天线的性能参数

Tab.1 Comparisons with other proposed UWB antennas with notched band

4 结论

提出一种具有四陷波特性的超宽带天线。该天线的陷波结构由双开口简化复合左右手传输线组成。对该陷波天线的参数研究表明，相对于其他天线来说，本文提出来的天线具有更加简单、易于加工设计、性能更加优异等特点，对以后超宽带陷波天线的设计具有极大的意义。

[1] Communications Commission. FCC02–48 First report and order, revision of part 15 of Commission’s rule regarding UWB transmission system [S]. USA: FCC, 2002.

[2] 刘汉, 尹成友, 范启蒙. 超宽带天线的研究现状与展望[J]. 电子元件与材料, 2016, 35(6): 8-15.

[3] 宋杰, 于映, 王寅豪. 一种应用于WLAN的单层宽频微带天线设计[J]. 电子元件与材料, 2016, 35(6): 82-84.

[4] OJAROUDI M, GHANBARI G, OJAROUDI N, et al. Small square monopole antenna for UWB applications with variable frequency band-notch function [J]. IEEE Antenna Wireless Propagation Lett, 2009(8): 1061-1064.

[5] HONG S J, SHIN J W, PARK H, et al. Analysis of the bandstop techniques for ultra wide band antenna [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2007, 49: 1058-1062.

[6] BAO X L. Printed band-reject UWB antenna with H-shaped slot [C]//International Workshop on Antenna Technology: Small and Smart Antennas Metamaterials and Applications. Cambridge, UK: IEEE, 2007: 319-322.

[7] CHU Q, YANG Y. A compact ultra wideband antenna with 3.4/5.5 GHz dual band-notched characteristics [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2008, 56: 3637-3644.

[8] SUN Q, ZHAO Y J, LI Q, et al. A planar ultra-wideband antenna with dual notched bands based on SCRLH resonator [C]//2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. NY, USA: IEEE, 2010: 380-383.

[9] SRIVASTAVA G, MOHAN A. A planar UWB monopole antenna with dual band notched function [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2015, 57: 99-104.

[10] SRIVASTAVA G, DWARI S, KANAUJIA B K. A compact triple band notch circular ring antenna for UWB applications [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2015, 57: 668-672.

[11] LIN X Q, LIU R P, YANG X M, et al. Arbitrarily dual-band components using simplified structures of conventional CRLH TLs [J]. IEEE Trans Microwave Theory Technol, 2006, 54: 2902-2909.

[12] HAN W, FENG Y. Ultra-wideband bandpass filter using simplified left-handed transmission line structure [J]. Microwave Opt Technol Lett, 2008, 50: 2758-2762.

[13] SUNG Y. Triple band-notched UWB planar monopole antenna using a modified H-shaped resonator [J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2013, 61: 953-957.

（编辑：陈渝生）

Novel compact ultra-wideband antenna with quad notched bandsbased on S-SCRLHs resonator

XIE Changming, LUO Haidong, ZHANG Jianjun

(Hunan Branch of China Mobile Communication Technology Engineering Co., Ltd, Changsha 410000, China)

A novel compact ultra-wideband (UWB) antenna with a quad band-notched function using S-SCRLHs (splited simplified composite right/left-handed) resonator was presented. The antenna comprised a cutting circular patch, a microstrip feeder, a rectangular floor with a trapezoidal notch and two S-SCRLHs resonators. The S-SCRLHs resonators, which possessed 4 resonance points, were integrated into a novel monopole UWB antenna, the quad band-notched function of the antenna was realized. The simulation and measurement results show that there are four notch bands in the UWB range, which are 3.6－3.8 GHz WiMax band, 4.5－4.9 GHz C band, 5.6－6.0 GHz WLAN band, 7.2－7.6 GHz X band. The final size is set at 25 mm×20 mm×1.6 mm. Both simulation and measurement results are provided with good agreement. Compared with other antennas, the proposed antenna has the advantages of compact size, multi-stopband, and good selectivity.

UWB antenna; monopole; quad notched bands; compact size; S-SCRLHs; resonator

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.018

TN826

A

1001-2028（2017）05-0085-06

2017-02-14

谢长明

国家自然科学基金项目资助（No.61274020）

谢长明（1991－），男，湖南邵阳人，研究生，主要从事电磁场与微波技术研究，E-mail:15700798819@139.com 。

网络出版时间：2017-05-11 13:28

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1328.018.html