一种紧凑型超宽带双陷波天线的设计

2021-02-05王友保郑大鹏

电子元件与材料 2021年1期

王友保,郑大鹏,刘振

(南京信息工程大学电子与信息工程学院,江苏南京 210044)

自从2002年美国联邦通信委员会(Federal Communicatuins Commission,FCC)将3.1～10.6 GHz频段定义为超宽带(Ultra Wide Band,UWB)[1]以来,超宽带通信系统因具有高传输速率、高容量、低检测率和高分辨率等优点[2],迅速成为民用通信系统的研究重点,广泛应用于医学成像、矿井通信、智能物联网等短距离无线通信系统。但是在UWB通信系统的工作频带中有多个窄带通信系统占用[3],例如全球互联接入IEEE 802.16 WiMAX(3.3～3.6 GHz),C波段卫星通信(3.7～4.4 GHz),数字微波通信(4.3～4.5 GHz),无线局域网IEEE 802.11a WLAN(Wireless Local Area Network,5.15～5.825 GHz),以及X波段卫星通信(7.2～7.6 GHz)等[4-6]。为了减小这些窄带通信系统对UWB造成的噪声干扰,在2003年,美国的Schantz等[7]提出在超宽带天线上引入陷波结构的超宽带陷波天线。

超宽带陷波天线一经提出就受到广泛关注,国内外很多机构和组织在大量文献中提出了实现超宽带陷波特性的结构。超宽带天线主要通过改变辐射单元尺寸、结构和地板位置、形状等方法,改变天线表面电流流向,提高其辐射能力[8-9]。具体包括在天线上引入寄生单元[10]、利用分形结构[11]、开槽[12]或增加新的谐振枝节[13]等。

文献[4]选用在辐射贴片上刻蚀倒U形缝隙和叉形缝隙的方法实现了天线在3.3～4.0 GHz和5.05～5.90 GHz的陷波特性。文献[14]将蘑菇型EBG(Electromagnetic Band Gap)结构耦合到微带线实现陷波。文献[15]通过加载互补开口谐振环(CSRR,Complementary Split-Ring Resonator)得到5.0～5.5 GHz和7.2～7.6 GHz两个频段的陷波。文献[16]利用四分之一波长开路微带谐振器实现了3.3～3.6 GHz和5.15～5.85 GHz两个阻带特性。

本文提出了一种紧凑型超宽带双陷波天线,在圆形辐射贴片上开L形槽和弧形槽实现陷波特性。通过对两个陷波槽的参数分析实现了对天线陷波频段的控制,从而使天线实现在 WiMAX(3.3～3.6 GHz)、WLAN(5.15～5.825 GHz)频段较好的陷波特性。天线的回波损耗、辐射方向图的测试结果和天线模型相应的仿真结果基本一致,表明除陷波频段外,该天线具有良好的辐射特性,符合超宽带通信系统对天线的基本要求,可以应用在无线超宽带通信系统中。

1 天线设计与分析

1.1 天线设计

本文的天线基板材料选用相对介电常数εr=4.4,损耗角正切tanδ=0.02的FR4环氧树脂介质板。天线采用共面波导馈电,馈电端口阻抗为50Ω。图1(a)-(d)为超宽带双陷波天线设计过程。

图1 超宽带双陷波天线设计过程Fig.1 Design steps of dual band-notched UWB antenna

对于微带天线,其基本谐振频率fr可以通过公式(1)[17]得到:

式中:εr为天线介质基板相对介电常数;Lg为天线地面的长度;Lr为天线辐射体长度;Ag为天线地面的面积;Ar为天线辐射体的面积。

利用公式(1)估算天线尺寸设计出共面波导馈电的天线1作为天线基础模型(图1(a)),天线1由圆形辐射体、微带馈线和共面地三部分组成。将天线1中矩形共面地的顶角截去使共面地变为梯形,得到天线2(图1(b))。图2为天线的回波损耗对比图,从图2中可以看到将地面从矩形结构变为梯形结构实现了天线带宽的拓宽,从而使天线的工作频段能够覆盖3.1～10.6 GHz的频段范围。天线2的工作带宽为3.0～10.95 GHz,满足UWB系统工作要求。

在天线2的模型上引入倒L形槽s1实现第一陷波频段。倒L形陷波槽总长度Ls1可以通过式(2)来估算。

式中:fnotch为陷波波段中心频率;c为光速。图3为天线3中Ls1长度与天线回波损耗的关系,选择3.3～3.6 GHz作为第一陷波频段以避免WiMAX波段的噪声干扰。天线3的最终陷波频段为3.29～3.66 GHz。

图2 天线1-4回波损耗对比Fig.2 Return loss antenna1-antenna4

图3 L s1对天线回波损耗的影响Fig.3 Tuning return loss by adjusting the length of L s1

天线的另一个陷波频段设计要求在5.15～5.825 GHz,由于该陷波频段要求的带宽较大,线形槽难以满足天线的设计要求。弧形槽较为平滑的边缘可以更多地将表面电流聚集在槽的周围,从而实现一个较宽的陷波频带。图4为天线4中弧形槽宽度Ws2变化对天线性能的影响。由图4可以看出,随着弧形槽宽度的增加,天线的陷波频段范围也在扩大,最终选择弧形槽宽度Ws2=0.4 mm,天线的第二陷波频段为5.04～5.91 GHz。

最终超宽带双陷波天线结构如图5所示,该天线由共面波导馈电共面地、微带馈线、圆形贴片辐射体三部分组成。在圆形贴片辐射体上引入弧形槽和倒L形槽。天线总体尺寸为25 mm×25 mm×1.5 mm,各参数在表1中给出。

图4 W s2对天线回波损耗的影响Fig.4 Tuning return loss by adjusting the length of W s2

图5 超宽带双陷波天线结构Fig.5 Structure of the proposed dual band-notched UWBantenna

表1 天线尺寸表Tab.1 Geometry of antenna mm

1.2 天线陷波特性分析

图6中分别给出了超宽带双陷波天线在两个陷波波段中心频率的表面电流分布图。由图6(a)可知,在3.5 GHz时天线的电流聚集在倒L形槽上,所以天线实现了在3.3～3.6 GHz频段的陷波特性。在图6(b)中,天线的电流主要分布在弧形槽中间部分和倒L形槽的末端。

图6 天线表面电流分布Fig.6 Surface current distributions of the antenna

超宽带双陷波天线的倒L形槽和弧形槽陷波结构在电路图中可以等效为两个谐振枝节,可以理解为在天线2原有的等效电路中串联两个LC并联谐振电路。图7为超宽带双陷波天线等效电路图,分别在3.5 GHz和5.5 GHz发生谐振,从而产生带阻作用[8],形成两个陷波频段。

图7 超宽带双陷波天线等效电路Fig.7 Equivalent circuit of the dual band-notched UWBantenna

2 实验结果

图8为所设计的天线实物图。天线回波损耗采用Agilent N5227A进行实际测量,仿真和实测的回波损耗如图9所示。从图9中可以看出该天线的实测结果和仿真结果在低频段有较高的一致性,在高频段有一些偏移,这是由于天线的加工精度、天线SMA头焊接、天线介质板材料色散等原因造成的。天线测试的工作带宽能够完全覆盖3.1～10.6 GHz频带,并且在3.3～3.6 GHz,5.0～6.2 GHz有较好的陷波特性。

图8 天线实物图Fig.8 Photograph of the fabricated antenna

图9 天线仿真与实测回波损耗Fig.9 Simulation and measured return loss of the antenna

图10为天线在暗室测试图。图11为天线增益的仿真和测试结果,从图11中可以得到在6～10.5 GHz天线增益均在1.5 dBi以上,并且在陷波频段增益均在0 dBi以下。

图10 天线测试照片Fig.10 Photograph of the antenna measured

图11 天线增益仿真和测试结果Fig.11 Simulated and measured gain of the antenna

图12为不同频率辐射方向图的仿真与测试结果,图中分别给出了天线在3,4.5,8和10.5 GHz四个频点上的方向图测试结果,可以看出天线在四个频点实测与仿真结果基本吻合,天线方向图在φ=0°时接近“8”字形,φ=90°时接近圆形,实现较好的辐射特性,可以满足超宽带通信系统对于天线辐射性能的基本要求。

表2中将本文所提出天线与其他文献类似天线进行了对比。可以看出本文所提出的超宽带双陷波天线的陷波波段更加接近WiMAX/WLAN所要求的陷波波段,能够实现更好的抗干扰特性。同时本文所提出的超宽带双陷波天线具有更小的尺寸,满足现代通信系统对于天线小型化的要求。

3 结论

本文提出了一种超宽带双陷波天线,该天线可以稳定工作在3.1～10.6 GHz频段内。天线引入倒L形槽和弧形槽来实现在 WiMAX(3.3～3.6 GHz)、WLAN(5.15～5.825 GHz)频段较好的陷波特性。加工制作了超宽带双陷波天线,并对天线回波损耗和辐射方向图进行了测试。仿真与测试结果表明除陷波频段外,该天线具有良好的辐射特性,符合超宽带通信系统对天线的基本要求,可以应用在无线超宽带通信系统中。