一种具有5.8 GHz WLAN深度抑制特性的超宽带全向天线

令狐暑暑， 逯 暄， 彭甫镕， 张 婷

(1. 山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006； 2. 山西大学 大数据科学与产业研究院， 山西 太原 030006)

0 引 言

基于超宽带技术的室内定位具有稳定性强、 抗干扰能力强和定位精度高等优点， 在位置服务领域得到了广泛的应用. 美国联邦通信委员会为超宽带商业应用分配了3.1 GHz～10.6 GHz频段， 然而在该频段内仍工作着WIMAX (3.3 GHz～3.7 GHz)、 无线局域网(5.15 GHz～5.825 GHz)、 ITU-8 GHz与X波段卫星通信服务(7.25 GHz～7.75 GHz)等无线通信系统. 因此， 设计具有阻带抑制特性的超宽带天线来缓解这些系统对超宽带系统的干扰非常必要[1]. 目前常用的抑制单个或多个阻带的超宽带天线是在辐射贴片、 馈线或者接地面上刻蚀一定的滤波器结构， 包括不同形状的槽[2-6]、 窄带谐振枝节[7-8]、 寄生谐振结构[9-11]， 如分环谐振器(Split Ring Resonator, SRR)、 互补开口环谐振器(Complementary Split Ring Resonator, CSRR)等； 近年来各种缺陷接地结构(Defected Ground Structure, DGS)也在超宽带天线中用于阻带抑制[12]. 通过上述滤波结构的组合， 可以达到对阻带的深度抑制， 这也是设计阻带抑制超宽带天线的关键.

本文为超宽带室内定位系统设计了一种深度抑制5.8 GHz WLAN信号的超宽带天线. 定位系统支持的信道频段， 即本文天线的工作频段如表 1 所示.

表 1 UWB系统支持的信道频段Tab.1 Channels and frequency bands supported by UWB system

1 天线结构设计

本文设计的天线结构如图 1 所示， 总体尺寸为30 mm×40 mm， 细节尺寸如表 2 所示. 其中， 介质基板采用介电常数为4.4， 厚度为1.6 mm的FR4材料； 上表面采用“倒箭头”形贴片作为天线的辐射单元， 可以扩大天线的辐射带宽； 下表面是天线的地， 它是在矩形地的基础上， 加载1对底为K3， 高为L3的直角三角形截断， 并在中间刻蚀一个尺寸为K4×L4的矩形开路槽， 用于增强行波模态辐射， 分别提高低频段与高频段的阻抗匹配， 上下表面构成基本超宽带单极子全向天线， 如图 1(a) 所示. 采用1个半波长C形槽与1个半波长RSCSRR槽对相结合的滤波结构实现中心频率5.8 GHz WLAN信号的深度抑制. 其中， 半波长的C形槽刻蚀在上表面的贴片单元， 如图 1(b) 所示， 它的尺寸应满足[13]

(1)

式中：c为光速；fnot为陷波中心频率；εreff为有效介电常数. 半波长RSCSRR槽对刻蚀在地平面上， 如图 1(c) 所示， 它的尺寸应满足[13]

(2)

(a) 超宽带全向天线

表 2 天线的各部分尺寸Tab.2 The parameters of antenna

2 天线性能分析

利用电磁求解器HFSS对本文设计的天线进行性能分析.

辐射单元采用“倒箭头”形的贴片， 可以获得比矩形辐射单元更大的带宽， 图 2(a) 中比较了采用本文设计的接地面时， “倒箭头”形辐射贴片与矩形辐射贴片的S11仿真曲线. 可以看出矩形贴片在5.48 GHz～6.21 GHz时，S11>-10 dB, 而本文提出的结构可以覆盖整个超宽带频段3.10 GHz～10.60 GHz. 这是因为“倒箭头”形比矩形有更长的电流路径， 有效地改善了天线的阻抗带宽.

(a) “倒箭头”形贴片与矩形贴片

图 2(b) 比较了采用“倒箭头”形辐射贴片时， 矩形地面与本文设计的接地面的S11仿真曲线. 由图可知， 采用矩形接地面时， 阻抗带宽为 3.14 GHz～7.11 GHz， 本文接地面的阻抗带宽为3.10 GHz～10.60 GHz， 表明刻蚀三角形截断与矩形开路槽有效地改善了低频与高频处的阻抗匹配.

图 2(c) 中比较了采用不同滤波结构的驻波比仿真曲线. 可以看出， 不使用滤波结构时整个3.10 GHz～10.60 GHz频段驻波比均小于2， 满足超宽带特性； 仅使用半波长C型槽时， 天线在5.8 GHz处的驻波比为3.70； 仅使用半波长RSCSRR槽对时， 天线的驻波比为5.49； 本文将二者结合， 使驻波比在5.8 GHz达到了7.59， 实现了WLAN信号的深度抑制.

为分析滤波结构的参数对5.8 GHz频率附近陷波的影响， 图 3 分别比较了C形槽的gx取1 mm， 2 mm， 3 mm， RSCSRR槽对的gy取0.3 mm， 0.4 mm， 0.6 mm， dY分别取1.2 mm， 1.3 mm， 1.5 mm时天线的电压驻波比(VSWR)曲线.

(a) 不同gx时

可以看出，gx越大， 陷波带的中心频率越高， 当gx取2 mm时， 陷波中心频率为5.8 GHz；gy的值同样影响着陷波带的中心频率，gy取0.4 mm 时， 陷波的中心频率为5.8 GHz； 随着dY从1.2 mm增加到1.5 mm， 陷波带宽从1.54 GHz 减小到1.32 GHz， 表明dY越小， 陷波带宽越宽， 这是因为RSCSRR槽对的距离越近， RSCSRR槽对与微带馈线之间耦合效应越强， 对陷波频率附近的电磁辐射抑制作用也越强.

3 天线的仿真与测试结果

根据设计制作的天线实物如图 4 所示， 其实测S11曲线、 VSWR曲线， 以及4 GHz， 6.5 GHz和9 GHz的方向图与HFSS仿真结果的对比分别如图 5， 图 6 所示.

(a) 上表面辐射单元

(a) S11曲线

(a) E面- 4 GHz

由图可知：

1) 实测的S11曲线在3.00 GHz～4.34 GHz， 6.27 GHz～10.00 GHZ频段内满足S11<-10 dB， 符合超宽带天线的要求； 在4.34 GHz～6.27 GHz 频段内满足S11>-10 dB， 陷波的中心频率为5.45 GHz， 陷波带宽为4.34 GHz～6.27 GHz， 可以抑制5.8 GHz的WLAN信号.

2) 实测的VSWR曲线在3.00 GHz～4.57 GHz, 6.22 GHz～10.20 GHz频段内小于2， 符合超宽带天线的要求； 陷波中心频率5.45 GHz处的VSWR为6.28， 在4.57 GHz～6.22 GHz时， VSWR>2， 满足对5.8 GHz WLAN信号的深度抑制.

3) 由于加工误差、 测量误差、 天线接头损耗等原因， 实测曲线与仿真相比有向左大约0.35 GHz的偏移， 但与仿真结果基本吻合， 不影响正常使用.

4) 在各个测量频点上， 天线方向图的E面主极化呈“8”字， H面具有全向的辐射特性， 实测结果和仿真基本吻合. H面在4 GHz时的全向性最好， 方向图的仿真增益起伏约为2.1 dB， 随着频率的升高， 辐射方向图H面的全向性变差， 在频率为9 GHz时， 方向图旁瓣效应增强.

综上所述， 本文设计的天线在室内定位系统的工作频带内阻抗匹配良好， 具有全向的辐射性能， 并且可以深度抑制通带内的WLAN信号， 满足室内定位系统的使用需求.

4 结 论

本文为超宽带室内定位系统设计了一种可以深度抑制5.8 GHz WLAN信号的单陷波超宽带全向天线. 首先设计了“倒箭头”形的基本辐射单元， 并改进了矩形地面用于增强超宽带内的阻抗匹配， 然后在辐射贴片上刻蚀半波长C形槽， 在接地面上刻蚀半波长RSCSRR槽对， 实现了对5.8 GHz WLAN信号的深度抑制. 实测的天线带宽为3.00 GHz～10.00 GHz， 阻带为4.34 GHz～6.27 GHz， 阻带中心频率5.45 GHz处的驻波比达到了6.28； 整个工作频率范围内， 天线方向图具有较好的全向辐射特性， 满足超宽带室内定位系统抑制5.8 GHz WLAN信号的设计需求.