劉阿玄,陳 蕾,鐘顯江,劉淑芳

(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

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平面小型化雙陷波天線設(shè)計

劉阿玄,陳 蕾,鐘顯江,劉淑芳

(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

本文設(shè)計了一種具有雙頻陷波特性的小型化平面單極子天線．該天線由開有π型與W型縫隙的輻射貼片和一對L型分支組成．L型分支的作用是能夠激勵額外諧振,從而增加阻抗帶寬,π型和W型縫隙能夠?qū)崿F(xiàn)雙陷波特性．該天線可以實(shí)現(xiàn)超過130%的帶寬(2.77～13.62 GHz),最大的特點(diǎn)是具有12×18×1.6 mm3的小型化尺寸．最終的仿真和測試結(jié)果顯示其在整個超寬帶頻段內(nèi)具有良好的陷波特性、增益和全向輻射特性．

小型化;單極子天線;雙陷波性能;超寬帶應(yīng)用

1 引言

自從2004年美國聯(lián)邦通信協(xié)會(FCC)發(fā)布了3.1～10.6GHz可用于商業(yè)通信的超寬帶頻帶[1],該頻帶得到了廣泛的關(guān)注[2]．在超寬帶(UWB,Ultra-WideBand)通信系統(tǒng)中,關(guān)鍵的技術(shù)就是設(shè)計一種可以覆蓋整個工作頻段,實(shí)現(xiàn)寬帶特性的天線．由于單極子天線具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、成本低等優(yōu)點(diǎn),因此其可被用于大量的研究中以設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)[3,4]．

UWB的頻率范圍為3.1～10.6 GHz,在該范圍內(nèi)會對已存在的無線通信系統(tǒng)造成干擾,比如WiMAX(3.3～3.6GHz)、C頻段(3.7～4.2GHz)和WLAN(5.2～5.8GHz),所以具有單頻陷波或者雙頻陷波特性的超寬帶天線非常重要．近些年研究出了很多可以形成陷波特性的單極子天線,最為廣泛的方法就是在貼片上或者地板上開槽,比如U型槽、C型槽[5～8]．還有一種形成陷波的方法是在輻射單元或地板附近引入寄生帶線[9～12],但是由于其體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)導(dǎo)致加工成本的增加和天線難以集成．

本文將介紹一種平面小型化雙陷波天線．首先,由兩個L型分支組成的饋線能夠獲得更寬的帶寬,并且可以覆蓋整個UWB頻帶．然后在輻射貼片上開W型縫隙形成單陷波特性,最后開π型縫隙,最終產(chǎn)生雙陷波特性．本文中所設(shè)計的天線與其他陷波天線相比最具特點(diǎn)的地方在于尺寸小、帶寬寬,并且在未使用寄生貼片的情況下在2.77～13.62GHz頻段產(chǎn)生雙陷波,并且呈現(xiàn)出良好的增益和輻射特性．本文中所設(shè)計天線的最大優(yōu)點(diǎn)為小型化,表1為近兩年有關(guān)雙陷波天線的文章對比．

表1 與近兩年相關(guān)文章的對比 單位(mm3)

2 天線模型

本文所設(shè)計的天線由50Ω微帶線饋電,印制在介電常數(shù)為4.4、尺寸為 12×18×1.6mm3的FR4介質(zhì)板上,如圖1所示．天線的主要結(jié)構(gòu)包括矩形輻射貼片、雙L型分支的饋線和地板．介質(zhì)板背面是寬為Wsub,長為Lgnd的導(dǎo)體地板．天線結(jié)構(gòu)各參數(shù)的最終結(jié)果在表2中．

表2 天線結(jié)構(gòu)尺寸表 單位(mm)

參數(shù)WsubLsubhsubWfLfWL尺寸12181.6271010參數(shù)WcLcWc1WsWs1Ws2Ls尺寸7.95.812.42.61.45.5參數(shù)Ls1Ls2Ls3Wf1Wf2Lf1Lgnd尺寸6.34.30.520.41.33.5

2.1 UWB天線設(shè)計

天線通過增加L型枝節(jié)可以來提高阻抗帶寬,如圖2所示[9]．圖3是圖2中三種不同天線所對應(yīng)的S11特性仿真圖．如圖3所示,通過一對L型枝節(jié)可以拓展低頻段與高頻段的帶寬,最終使得天線覆蓋范圍達(dá)2.77～12.67GHz．

2.2 具有雙陷波特性的UWB天線

因?yàn)閷λ嬖诘臒o線通信系統(tǒng)容易造成干擾(比如WiMAX、C波段和WLAN),因此具有單頻陷波和雙頻陷波功能的UWB天線顯得尤為重要．如圖4所示,首先為了在3.4～4.5GHz波段內(nèi)產(chǎn)生較大的反射系數(shù),因此在輻射貼片上開W型縫隙．在第一個陷波頻率3.8GHz處,電流集中在天線結(jié)構(gòu)的內(nèi)外表面,因此產(chǎn)生了單陷波頻率．然后為了在5.2～5.8GHz頻段也產(chǎn)生陷波,則在輻射貼片上開π型縫隙,最終可以實(shí)現(xiàn)雙陷波功能．

如圖4(c)中所示,W型縫隙和π型縫隙可以擾亂諧振響應(yīng)并且可以起到半波長諧振結(jié)構(gòu)的作用．因此只需要調(diào)節(jié)他們的尺寸就可以得到想要的陷波特性．縫隙(L1,2)的尺寸可以由以下公式進(jìn)行計算:

(1)

(2)

式中c為自由空間中的光速,εr是介質(zhì)板的介電常數(shù),εeff為有效介電常數(shù),fnotch為陷波頻段的中心頻率．在設(shè)計最初我們可以用式(1)計算得出縫隙總長度的參考值,然后再對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)得到最終結(jié)果．

如圖5所示,為兩個陷波分開時的駐波比,第一個陷波頻段為3.47～4.48GHz,是由W型縫隙產(chǎn)生的,其表面電流分布如圖6(a)所示,電流聚集在縫隙的內(nèi)外邊緣處,因此在陷波頻率附近產(chǎn)生高衰減．如圖5(b)所示,第二個陷波頻段為5.24～5.86GHz,是由π型縫隙產(chǎn)生的,其表面電流分布如圖6(b)所示．最后,圖7為本文天線的駐波比結(jié)果,由圖可知該天線產(chǎn)生了雙陷波特性,并且可用帶寬超過了130%(2.77～13.62GHz)．

3 結(jié)果和討論

為了討論縫隙的尺寸參數(shù)對天線性能的影響情況,其討論結(jié)果如圖8所示．使用HFSS軟件對天線進(jìn)行仿真．

如圖8所示,圖中是縫隙為不同尺寸時的駐波比．這五種情況分別規(guī)定為表3中的1、2、3、4和5．情況2和3改變了π型縫隙的尺寸,如圖可知對低頻影響較小,第一個陷波頻率都在3.8GHz,但是對高頻影響較大,所以π型縫隙的尺寸影響高頻．情況4和5改變了W型縫隙的尺寸,由圖可知對低頻影響較大,對高頻基本無影響．因此,兩個縫隙相互獨(dú)立并且之間無影響．所以,相比較于其它天線,本文所設(shè)計的天線可以僅僅調(diào)節(jié)兩個相對獨(dú)立的縫隙便可得到所需要的陷波特性．

表3 縫隙不同尺寸的5種情 單位(mm)

情況WcLcLsLs117.95.85.56.3275.85.56.337.95.35.56.347.95.84.56.357.95.85.55.8

為了清楚多諧振和雙陷波特性,如圖9所示為輻射貼片表面電流分布圖,圖9(a)～(c)分別為頻率為3.4GHz,4.8GHz和12.7GHz的電流分布情況．圖9(a)和圖9(b)中的電流分別主要集中在W型縫隙的內(nèi)外邊緣和π型縫隙的內(nèi)外邊緣,從而形成了諧振頻率,天線在這些頻點(diǎn)的阻抗變化是由諧振特性所決定的．由圖9(c)我們看到產(chǎn)生了一個新的12.7GHz額外諧振頻率,電流聚集在饋線上,產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因主要是因?yàn)樵撎炀€結(jié)構(gòu)改變了輸入阻抗的電容和電感,同時兩個L型分支也增加了表面電流路徑,三個諧振模式互相耦合從而提高了阻抗帶寬．

對本文所設(shè)計的天線模型進(jìn)行實(shí)物加工及測試,圖10(a)為天線的駐波特性圖．加工后的天線的頻帶為2.77～13.62GHz,兩個被抑制的頻段在3.44～4.24GHz和5.26～6.12GHz．測試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果的差異主要在于天線的制造誤差和介質(zhì)板的介電常數(shù)．除此,加工過程中也應(yīng)該考慮到焊接的精確度．天線增益的仿真和測試結(jié)果如圖10(b)所示,天線在3.8GHz和5.57GHz的增益分別為-6.8dB和-5.3dB,所對應(yīng)的口徑效率分別為49.5%和32.9%,在非陷波頻段增益大于零比較穩(wěn)定．

圖11所示,為天線E面和H面方向圖的測試結(jié)果(左側(cè)為E面,右側(cè)為H面),可以看出天線在整個帶寬內(nèi)的輻射特性．在E面,輻射方向圖在非常寬的頻帶內(nèi)具有雙向性．H面,輻射方向圖在三個頻點(diǎn)處是全向的．

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種能夠產(chǎn)生單陷波和雙陷波功能且具有寬帶特性的單極子天線．該天線結(jié)構(gòu)簡單緊湊,尺寸僅為12×18×1.6 mm3,可以用于小型化設(shè)備中．天線的工作頻率在除去兩個頻段(3.44～4.24GHz和5.26～6.12GHz)的2.77～13.6GHz超寬帶頻段．實(shí)物的測試結(jié)果表現(xiàn)了良好的阻抗特性、全向性和增益特性．因此,由于其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊等良好的特性,該天線可以很好的被用于超寬帶系統(tǒng)中．

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劉阿玄 女,1990年11月出生于陜西省西安市．2013年本科畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)電子信息工程專業(yè),同年考入西安電子科技大學(xué)讀研究生至今,主要研究方向?yàn)榉较蚧厮蓐嚵刑炀€．

E-mail:liuaxuan2015@163.com

陳 蕾 女,副教授,1982年3月出生于陜西省寶雞市．2010年于西安電子科技大學(xué)獲電磁場與微波專業(yè)博士學(xué)位．主要研究方向?yàn)槠矫嫣炀€設(shè)計和方向回溯陣列天線．

A Miniaturized Planar Monopole Antenna with Dual Band-Notched Function for UWB Applications

LIU A-xuan,CHEN Lei,ZHONG Xian-jiang,LIU Shu-fang

(ScienceandTechnologyonAntennaandMicrowaveLaboratory,XidianUniversity,Xi’an,Shaanxi710071,China)

A novel miniaturized planar monopole antenna for ultra-wideband (UWB) applications with dual band-notched function is proposed in this paper.The proposed antenna consists of an ordinary square radiating patch with a π-shaped slot,a modified W-shaped slit and a pair of L-shaped branches.By adding the pair of L-shaped branches,additional resonances are excited and wider impedance bandwidth can be produced.To generate dual band-notched characteristics,a π-shaped slot in the radiating patch surrounded by a modified W-shaped slit is etched.The antenna provides a wide usable fractional bandwidth of more than 130% (2.77-13.62GHz).In addition,the designed antenna has a small size of 12×18×1.6mm3while showing the band-rejection performance,covering all the 3.5/5.5-GHz WiMAX,4-GHz C-bands and 5.2/5.8-GHz WLAN.Simulated and measured results show good band-notched functions,stable gain and nearly omnidirectional radiation patterns of the proposed antenna over the entire UWB frequency.

miniaturized;monopole antenna;dual band-notched function;UWB applications

2015-02-09;

2015-08-11;責(zé)任編輯:孫瑤

TN821

A

0372-2112 (2016)10-2495-06

??學(xué)報URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.10.030