胡少文,吳毅強(qiáng),張　云,張平平,周輝林

(南昌大學(xué)電子信息工程系,南昌 330031)

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具有帶阻特性的新型超寬帶天線研究*

胡少文,吳毅強(qiáng)*,張?jiān)?張平平,周輝林

(南昌大學(xué)電子信息工程系,南昌 330031)

摘要:據(jù)短距離無線電通信系統(tǒng)對(duì)超寬帶天線的要求,提出了一種新型的具有帶阻特性的印刷超寬帶天線。采用在輻射貼片傳輸線旁邊加上2個(gè)U形寄生單元來實(shí)現(xiàn)天線的帶阻特性,天線的輻射貼片與接地板具有一致的結(jié)構(gòu),使得天線的輻射方向圖與偶極子天線非常類似。對(duì)U形寄生單元的各個(gè)參數(shù)對(duì)帶阻性能的影響進(jìn)行了研究,仿真結(jié)果表明可以方便的通過改變寄生單元的尺寸和位置來改變阻帶的位置和寬度?？蓪?shí)現(xiàn)天線頻帶寬度(S11≤-10 dB)3.5 GHz～14.6 GHz,相對(duì)帶寬達(dá)123%,并實(shí)現(xiàn)了4.9 Ghz～6.1 GHz的阻帶特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該天線適用于超寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:超寬帶;U形寄生單元;帶阻功能;微帶饋電

2002年,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC(Federal Communications Commission)批準(zhǔn)了3.1 GHz～10.6 GHz頻段運(yùn)用于商業(yè)通信后,UWB(超寬帶)無線通信技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。作為UWB系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一的超寬帶天線,其性能的優(yōu)劣直接決定著UWB通信質(zhì)量。因此設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好的滿足短距離無線通信要求的超寬帶天線具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)在已經(jīng)提出了許多不同的天線來覆蓋整個(gè)的UWB頻段[1-2],但是這個(gè)頻段中有很多已經(jīng)存在的無線通信系統(tǒng),例如無線局域網(wǎng)(WLAN)窄帶系統(tǒng),其工作頻段為5.15 GHz～5.825 GHz。為了防止來自已用頻譜的干擾,需要對(duì)這些頻段進(jìn)行隔離,這就要求設(shè)計(jì)具有帶阻功能的超寬帶天線。已經(jīng)有許多的文獻(xiàn)中提到了可以實(shí)現(xiàn)帶阻特性的各種不同方法,例如在天線上開各種不同的縫[3-8],使用調(diào)諧支線[9-10]等。本文提出了一種在輻射貼片傳輸線兩旁加入2個(gè)U形寄生單元結(jié)構(gòu)的UWB天線,覆蓋了整個(gè)UWB頻段,并有效地抑制了5.15 GHz～5.825 GHz的WLAN頻段,同時(shí)在整個(gè)工作頻帶內(nèi)具有良好輻射方向圖。

1　天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該天線的介質(zhì)板材料為Rogers RT/duroid 4003,相對(duì)介電常數(shù)為3.38,損耗正切為0.002 7,厚度為0.8 mm。圖1給出了天線的幾何結(jié)構(gòu)。詳細(xì)研究了寄生單元的各個(gè)參數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)帶阻功能的影響,得出了最佳的參數(shù)選擇,總尺寸為26 mm×32 mm×0.8 mm。

圖1　天線結(jié)構(gòu)

介質(zhì)板的尺寸為W×L。該天線由2個(gè)矩形金屬片組成的輻射貼片、梯形接地金屬片和2個(gè)U型寄生單元組成,其中輻射貼片和接地的結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)天線的超寬頻帶性能非常重要。采用阻抗為50 Ω的微帶線進(jìn)行饋電,金屬帶寬度為W1,輻射貼片與接地板之間的間隔為0.8 mm。其實(shí)影響天線輻射性能的因素有好多,主要是由輻射貼片的尺寸和幾何形狀、接地的結(jié)構(gòu)尺寸決定,在HFSS中建立模型,對(duì)天線幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

表1　天線尺寸

2　天線的分析與仿真

首先對(duì)未加U型寄生單元的天線進(jìn)行優(yōu)化仿真發(fā)現(xiàn)地的結(jié)構(gòu)改變可以起到加寬帶寬的作用。如圖2所示是對(duì)k1進(jìn)行優(yōu)化仿真,發(fā)現(xiàn)地的結(jié)構(gòu)和尺寸改變可實(shí)現(xiàn)超寬帶帶寬(回波損耗S11≤-10 dB)為3.5 GHz～14.6 GHz,相對(duì)帶寬為123%。

圖2　k1對(duì)S11的影響

通過在輻射貼片傳輸線兩旁加載U型寄生單元,可以達(dá)到阻帶的作用。圖3為未加載U型寄生單元和加載U型寄生單元的回波損耗圖。

由圖3可看出,通過在微帶傳輸線兩旁加載U型寄生條,可以起到阻帶的效果。由于寄生單元與輻射貼片在阻帶內(nèi)的電流流向相反,使得兩者相互抵消實(shí)現(xiàn)了阻帶的功能。

圖3　U型寄生條對(duì)S11的影響

為了得到天線結(jié)構(gòu)中U形寄生單元對(duì)頻率的影響,在仿真中改變U1,圖4為U1變化時(shí)相應(yīng)的天線阻帶性能的變化。

圖4　U1對(duì)阻帶性能的影響

圖5　天線的輻射方向圖

該天線在實(shí)現(xiàn)超寬頻帶阻特性的同時(shí),具有對(duì)稱的方向圖和良好的增益。圖5(a)、5(b)所示為天線在2.0 GHz、5.0 GHz和10.0 GHz下的仿真輻射方向圖。仿真增益如圖7(c)所示,在3.5 GHz～14.6 GHz全頻帶內(nèi),最高增益達(dá)到4.12 dB,但是天線的增益在陷波頻段內(nèi)急劇減少,表明天線對(duì)WLAN頻段有很好的抑制作用。

3　天線制作與實(shí)測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的天線的實(shí)用性和有效性,利用HFSS對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了綜合優(yōu)化,優(yōu)化的尺寸如表1所示。根據(jù)優(yōu)化后得到的尺寸,對(duì)該天線進(jìn)行實(shí)際加工和測(cè)試,并利用HP8720B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及功率計(jì)對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試,實(shí)物圖和測(cè)試的反射系數(shù)如圖6所示,增益、輻射方向圖如圖7所示。

從圖6可以看出,在3.5 GHz～14.6 GHz頻段內(nèi),除了陷波頻段(4.9 GHz～6.1 GHz)外,天線實(shí)測(cè)的回波損耗曲線基本處于-10 dB以下,實(shí)測(cè)值與仿真曲線稍有些偏差,主要是由加工誤差所引起,此外SMA接頭以及焊錫的散射效應(yīng)也會(huì)對(duì)回波損耗產(chǎn)生影響。該天線基本上能夠滿足微波通信的要求。

從圖7(a)和圖7(b)可以看出,天線的實(shí)測(cè)輻射方向圖在高頻率點(diǎn)有些偏差,從圖7(c)可以看出實(shí)測(cè)的增益與仿真的增益基本上吻合,實(shí)測(cè)值與仿真曲線有些偏差,主要是因?yàn)榧庸ふ`差和測(cè)量誤差所引起的。

圖6　天線實(shí)物和實(shí)測(cè)回波損耗

圖7　實(shí)測(cè)天線的輻射方向圖和增益圖

4　結(jié)論

在超寬帶天線輻射貼片的傳輸線旁邊加載U型寄生單元,改變了天線的電流分布,并可以通過對(duì)U型寄生單元尺寸的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)阻帶范圍的調(diào)節(jié)。本文提出的超寬帶天線不但具有良好的阻抗特性和輻射特性,而且在4.9 GHz～6.1 GHz的頻率范圍內(nèi)具有阻帶特性,可以避免5 GHz無線局域網(wǎng)的干擾。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明此超寬帶阻帶天線具有實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1]李棟,石鑫,夏豐.應(yīng)用于超寬帶通信的貼片六邊形單極子天線研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,9(4):878-882.

[2]Ling C W,Chung S.A Simple Printed Ultrawideband Antenna with a Quasi-Transmission Line Section[J].IEEE Trans Antennas Propag,2009,57(10):3333-3336.

[3]Farrokh-Heshmat N,Nourinia J,Ghobadi C.Band-Notched Ultra-Wideband Printed Open-Slot Antenna Using Variable On-Ground Slits[J].Electron Lett,2009,45(21):1060-1061.

[4]蔡云龍,馮正和.雙F結(jié)構(gòu)的超寬帶印刷橢圓槽陷波天線[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2009,49(7):944-947.

[5]章偉,趙田野,鄢澤洪.3.1 GHz～17 GHz的帶阻超寬帶單極天線[J].電子科技,2010,23(1):65-67.

[6]Zhang Y,Hong W,Yu C,et al.Design and Implementation of Planar Ultra-Wideband Antennas with Multiple Notched Bands Based on Stepped Impedance Resonators[J].IET Microw.Antennas Propag,2009,3(7):1051-1059.

[7]孫彩鋒,馬重霄,劉紅梅,等.X波段共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)串饋天線的設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù),2011,37(1):38-40.

[8]廖昆明,吳毅強(qiáng),鄧淼,等.超寬帶單極子加載介質(zhì)諧振器天線的設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光,2012(3):408-410.

[9]Emadian Seyed Ramin,Ghobadi Changiz,Nourinia Javad,et al.Bandwidth Enhancement of CPW-Fed Circle-Like Slot Antenna with Dual Band-Notched Characteristic[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2012(11):543-546.

[10]Li W M,Ni T,Quan T,et al.A Compact CPW-FED UWB Antenna with Wimax-Band Notched Characteristics[J].Progress in Electromagnetics Research Letters,2011,26:79-85.

[11]張佳亮,雷振亞,謝擁軍,等.共面波導(dǎo)饋電的寬帶天線設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù),2011,51(8):125-129.

[12]晏峰,姜興,黃朝暉,等.共面波導(dǎo)饋電的帶阻UWB天線設(shè)計(jì)[J].電子器件,2011,34(3):255-257.

[13]姜宇,肖鴻,劉興鵬,等.共面波導(dǎo)寬頻帶微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)與分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(10):1180-1184.

[14]吳毅強(qiáng),鄧淼,廖昆明,等.共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線研究[J].電子元件與材料,2012(6):67-70.

[15]張莉,趙軍軍,王善進(jìn).手持RFID讀寫器微帶天線的小型化設(shè)計(jì)[J].電子器件,2012(4):379-382.

[16]高健,曹衛(wèi)平,李思敏.寬帶平板天線的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子器件,2011(1):112-114.

胡少文(1987-),男,江西南昌人,2011年獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向?yàn)樯漕l微波技術(shù)與天線設(shè)計(jì)研究,hsw5055613@126.com;

吳毅強(qiáng)(1959-),男,江西上饒人,現(xiàn)任南昌大學(xué)電子系教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事射頻與微波技術(shù)及其應(yīng)用的教學(xué)與研究,wyq555@126.com。

ANovelUltra-WideBandwithBandRejectionCharacterAnalysis*

HUShaowen,WUYingqiang*,ZHANGYun,ZHANGPingping,ZHOUHuilin

(Department of Electronic,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Abstract:A new printed UWB antenna with a band notched characteristics is proposed according to the requirement of short distance communication for UWB antenna.The band-stop characteristic is achieved by two U-shaped parasitic elements beside the feeding line of the radiation patch.The radiation patch and the ground are with the same structure and the radiation pattern of the proposed antenna is similar to the dipole antenna.A detailed parametric study of the U-shaped parasitic element is presented.Simulated results show that the size and the position of the parasitic element determine the center frequency and the bandwidth of the notched band.With the presented design,the bandwidth(return loss≤-10 dB)starts from 3.5 GHz up to 14.6 GHz that means a relative bandwidth of 123% with a notched band from 4.9 to 6.1 GHz.Measured results confirm that the proposed antenna is suitable for UWB applications.

Key words:Ultra-wideband(UWB);U-shaped parasitic element;band-notched function;micro-strip-feed

doi:EEACC:527010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.009

中圖分類號(hào):TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)04-0622-04

收稿日期:2013-08-28修改日期:2013-09-11

項(xiàng)目來源:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61062009);江西省交通運(yùn)輸廳科技基金資助項(xiàng)目(2010H0017)