具有双陷波特性的小型Vivaldi超宽带天线

李振亚, 竺小松, 张建华

(国防科技大学电子对抗学院, 安徽 合肥 230037)

0 引 言

超宽带(ultra wideband, UWB)天线作为无线通信传输系统的重要终端组件,被广泛地应用于超高速无线通信的很多领域,如超宽带通信、超宽带雷达和超宽带电子对抗系统中。随着美国联邦通讯委员会(federal communications commission, FCC)将3.1～10.6 GHz划为超宽带的民用频段[1]后,平面超宽带天线的研究设计出现了井喷式的发展。传统的微带天线[2]虽然具有剖面低、尺寸小和结构简单等优点,但是它的缺点也非常明显,就是带宽比较窄,这极大地制约了传统微带天线的应用范围,无法很好地适应于超宽带系统中。随着电子器件集成化的高速发展,天线一体化的概念也愈加凸显,人们倾向于用更少的天线来解决以往很多天线才能解决的问题,减少复杂化。因此,设计一种结构简单、性能优良、剖面低,易于共形的超宽带天线[3-5]具有重大的现实意义。

由于UWB系统覆盖的频带很宽,在其工作频段内包含着很多窄带系统,比如无线局域网(wireless local area network, WLAN)(5.15～5.825 GHz)、卫星X波段(7.25～7.75 GHz)等,如何很好地避免不同工作系统间的干扰已经成为急需解决的问题。解决干扰最容易想到的就是在天线前端加入滤波器,但这势必会让结构变的更为复杂,不利于其在系统中的集成。为了抑制不同频段间的干扰,科研人员提出了具有陷波特性的超宽带天线[6-7]。

根据辐射方向的不同,可以将超宽带天线分为全向超宽带天线和定向超宽带天线。以往对于超宽带陷波天线的研究大多局限于超宽带平面单极子等全向天线的陷波[8-9],对于定向超宽带的陷波研究相对较少。Vivaldi天线(即指数线型锥削槽天线)作为一种常见的定向超宽带天线,自文献[10]提出,至今得到了快速的发展。研究陷波型Vivaldi 天线[11-16]具有重要的现实意义。文献[11]采用两种不同大小的电磁带隙(electromagnetic band gap, EBG)结构,设计了一种双陷波Vivaldi天线,由于EBG金属导体柱的存在,会增加加工难度。文献[12]通过可变电容加载,实现了一种陷波可调的对趾Vivaldi天线,虽然陷波频率可调,但是陷波效果不是很理想。文献[13]设计了一种可重构Vivaldi天线,通过加载电容环形谐振器(split ring resonator,SRR),实现了整个超宽带和窄带陷波之间的切换。文献[14]通过在Vivaldi 天线的馈线末端对应的辐射臂上开互补开口谐振环(complementary split ring resonator,CSRR)超材料缝隙的方法,实现了陷波效果,同时利用超材料结构,有效增加了天线的辐射增益,但是其陷波带宽较宽。文献[15]对比了在Vivaldi天线馈线边缘加载六边形SRR(hexagonal-SRR,H-SRR)和正方形SRR(square-SRR,S-SRR)两种结构,实现了双陷波效果,但是低频带的陷波频带过窄。文献[16]通过使用CSRR结构,实现了对WLAN应用波段的抑制,但是整个天线尺寸过大。

本文提出了一款小型化的双陷波Vivaldi超宽带天线。天线采用侧馈的方式,相比常规馈电方式天线具有更小的尺寸。通过在天线的辐射臂上开E字型结构和在馈电处开环形缝隙形成电容负载谐振回路的方式,天线在5.15～5.825 GHz和7.25～7.75 GHz具有较好的陷波效果,可以有效减少和WLAN、卫星X波段间的相互影响,同时也为小型化陷波Vivaldi天线的设计提供了一种思路。

1 天线结构与设计原理

Vivaldi天线是通过在金属贴片上开指数型槽线缝隙形成的一种天线形式。该天线由较窄槽线逐步过渡到较宽槽线,形成一种类似喇叭口的形式向外辐射和接收电磁波。天线的工作频率由槽线的宽度决定,槽线宽度一般变化范围大,可以实现宽带传输。由于Vivaldi 天线具有带宽宽、定向性好、交叉极化低等优点,因而被广泛地应用于超宽带系统中。图1即为所设计的双陷波超宽带Vivaldi结构图。天线的整个尺寸为26 mm×13 mm,选用泰康尼克RF-35介质板材,介电常数为3.5,损耗角正切值为0.001 8,厚度为0.762 mm。天线采用微带线-槽线的馈电方式,微带线馈电部分利用了阻抗变化的原理,有效增加了天线的带宽。微带馈线和辐射贴片分别印制在介质板的两面。

图1 Vivaldi天线结构图Fig.1 Geometry of Vivaldi antenna

Vivaldi天线的指数渐变曲线可以表示为

y=C1·eα x+C2

(1)

式中,C1和C2分别由曲线的起始点和终止点来决定;α为曲线的渐变因子,决定曲线平缓程度;这里,曲线的渐变因子为0.2,该天线的具体尺寸如表1所示。

表1 优化后的天线单元尺寸

2 天线的仿真与分析

由于传统无线通信系统工作频率(比如WIMAX、WLAN和卫星X波段)与超宽带天线的工作频带有重叠,不可避免的就会对超宽带系统造成干扰,因此设计具有单陷波、双陷波和多陷波功能的UWB天线显得尤为重要。如图2所示,为了抑制WLAN(5.15～5.825 GHz)的干扰,产生较大的反射系数,在天线辐射贴片上开取了一对E字型缝隙。同时,为了滤除卫星X波段(7.25～7.75 GHz)的干扰,采用已有的电容性负载环路(capacitively loaded loop, CLL)结构,在微带馈线末端对应的辐射贴片处开环形缝隙,形成电容负载谐振回路,实现陷波特性。

如图2(d)中所示,E型缝隙和CLL结构可以有效地扰乱天线辐射贴片的工作电流,起到半波长谐振结构的作用。因此,改变缝隙结构的长度就可以起到调节陷波频率的作用。缝隙的尺寸满足

(2)

式中,c代表光速;fnotch代表陷波中心频率;εr为介质板材的相对介电常数。根据上述经验公式(2),可以粗略估算陷波频率对应的缝隙长度,然后结合高频结构仿真器(high frequency structure simulator, HFSS)软件的参数优化功能,便可设计出需要的陷波超宽带天线。天线的设计流程如图2所示。

图2 天线的设计流程Fig.2 Design process of antenna

图3为4种不同天线对应的电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)曲线。从图3(a)可以看出,Vivaldi天线的VSWR曲线在3.3～12.8GHz频段内都小于2,即天线的工作带宽为3.3～12.8 GHz。图3(b)为开E型槽天线的VSWR曲线,可以看出,陷波频段为4.95～5.8 GHz,单陷波驻波比峰值达到了30,陷波效果明显。图3(c)为开CLL结构的天线VSWR曲线,通过合理优化CLL结构的尺寸,使陷波频段有效地覆盖了卫星X波段(7.25～7.75 GHz),VSWR最大值也超过了10。图3(d)为最终设计的双陷波Vivaldi天线,可以看出,两种不同结构的缝隙产的双陷波中心频率相比于单陷波会有所偏移,驻波峰值也会互相影响,通过参数优化设计使陷波的中心频率分别对应5.5 GHz 和7.5 GHz。天线的陷波频段最终工作于4.87～5.94 GHz和7.32～7.75 GHz。

表2给出了本文所提出天线与参考文献中所设计陷波Vivaldi天线的对比情况,从天线尺寸、工作频率、陷波波段和陷波中心频率处抑制天线增益大小4个方面进行了对比。由于双陷波Vivaldi天线相关文献较少,增加了两组单陷波天线做对比。从表2中可以看出,所设计的天线在基本保证工作频率的前提下,尺寸非常小,陷波频率处的增益抑制效果也比较明显。

图3 4种不同天线VSWR仿真曲线Fig.3 VSWR of four different antennas

为了更直观地理解天线的陷波特性,下面从天线表面电流来分析陷波原理。图4为天线的表面电流分布,图4(a)和图4 (b)分别对应工作频率为5.5 GHz和7.5 GHz的天线表面电流。由图4(a)可以看出,表面电流聚集在E字型缝隙的内外边缘处,产生谐振效果,阻抗失配,在陷波频率周围产生高衰减,因而天线不能正常工作。由图4(b)可以看出,工作在7.5 GHz的时候,天线表面电流则聚集于CLL结构处,能量集中,该结构类似一个谐振腔,引起阻抗失配,天线能量辐射不出去,因而起到了陷波作用。从电流分布也验证了,天线之所以能够产生陷波效果,是因为在辐射贴片上开槽、开缝,影响了天线的电流分布,进而影响到天线的输入阻抗,导致阻抗失配,无法正常工作,因而产生陷波作用。

表2 与相关文献的对比

图4 天线表面电流分布图Fig.4 Surface current distribution of antenna

3 实验测量与讨论

为了进一步验证设计陷波天线的实用价值和方法可靠性,按照上文给出的优化后的天线尺寸加工了天线实物,利用矢量网络分析仪和微波暗室对天线实物进行了测量。图5为天线加工实物图,可以看出天线整体尺寸非常小,仅有一个硬币尺寸大小。

图5 天线实物图Fig.5 Fabricated antenna

图6为测量得到的天线驻波特性图。由图6可以看出,实际测量的陷波频段与仿真得到的几乎一致,除了高频部分有一段VSWR稍微偏高外,天线总的VSWR曲线与仿真得到的驻波曲线基本一致。测量得到的陷波低波段为5.3～6.2 GHz,高频段与仿真几乎一致,为7.30～7.73 GHz。天线的测量结果与预期结果的差异主要来源于天线的实际加工误差和介质板材介电常数的不稳定性。此外,加工中的焊接精度也有可能影响到整个天线的性能。为了进一步验证陷波特性,对UWB天线和双陷波天线的增益曲线进行了测量,如图7所示。

图6 天线VSWR实测与仿真对比图Fig.6 Simulated and measured VSWR of antenna

图7 UWB天线与双陷波天线增益对比图Fig.7 Gain of UWB and dual-band notched antenna

从图7中可以看出普通超宽带天线增益在整个3.0～14 GHz频段内,均为正值,而陷波天线在对应的陷波波段内增益急剧下降,天线在5.5 GHz和7.5 GHz的增益分别为-12.5 dB和-7.5 dB,在非陷波频段,增益大于零比较稳定。可见,天线在陷波波段内能量辐射不出去,无法正常工作。

图8为天线E面和H面辐射方向图测量结果,选取了两个陷波频率(5.5 GHz和7.5 GHz)和3个非陷波频率(3.5 GHz、6.5 GHz和12.5 GHz)进行对比观察测量。从图8中可以看出,天线的E面方向图在低频段近似为8字型辐射,天线在非陷波频率下朝着主波束方向辐射,且随着频率增大,主方向增益逐渐变大,且后瓣变窄。在陷波频率下,天线辐射增益基本为负值,且波束畸变严重,无法朝着主方向辐射。天线的H面方向图在非陷波工作频率下具有全向性,在陷波频率下,辐射增益为负值,波束方向也产生了变化。从天线的辐射方向图也可以验证天线的陷波特性,即在陷波工作条件下,天线无法正常工作,能量辐射不出去。

图8 天线E面和H面辐射方向图Fig.8 Radiation pattern of antenna E plane and H plane

4 结 论

本文设计了一种小型化的超宽带单陷波和双陷波Vivaldi天线。在小型化超宽带天线的基础上通过开E字型和CLL型结构,实现了单陷波和双陷波特性。研究了天线的陷波特性,加工了天线实物,并进行了测量。从表面电流方面,解释了天线的陷波原理。实验结果与仿真结果基本一致,验证了本文方法的正确性。该天线具有良好的陷波特性、增益特性和全向性,可以有效滤除WLAN和卫星X波段的干扰。该天线结构简单紧凑、性能优良,尺寸仅26 mm×13 mm×0.762 mm,可以应用于小型化超宽带系统中。该天线对于设计陷波Vivaldi 天线也具有一定的指导意义。