代天瑤

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

超寬帶(Ultra Wideband，UWB)無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為一種新的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，越來(lái)越受到人們的重視。UWB是一種具有抗干擾性能強(qiáng)、系統(tǒng)容量大、發(fā)送功率小、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)的無(wú)載波通信技術(shù)。按照美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的規(guī)定， 3.1～10.6 GHz之間的頻段劃分為超寬帶系統(tǒng)使用的范圍。然而在超寬帶通信頻段范圍內(nèi)依然存在著一些窄帶通信系統(tǒng)[1-6]。濾波器和天線(xiàn)作為射頻前端電路最重要的兩個(gè)無(wú)源元器件，一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。傳統(tǒng)的濾波天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法僅僅考慮了器件本身的性能，通過(guò)級(jí)聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)，并沒(méi)有從整體范圍進(jìn)行考慮。若將天線(xiàn)與濾波器集成設(shè)計(jì)成為濾波天線(xiàn)，可使天線(xiàn)同時(shí)具有輻射和濾波功能[7-8]，有效減小三維封裝的尺寸和面積，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的小型化。

目前發(fā)表的文獻(xiàn)中已提出大量單阻帶及雙阻帶天線(xiàn)，然而三阻帶天線(xiàn)甚至具有更多阻帶的天線(xiàn)依然較少。本文基于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的圓形單極子天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)超寬帶特性，同時(shí)引入耦合饋電、貼片開(kāi)槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三阻帶的超寬帶濾波天。該天線(xiàn)可同時(shí)避免WIMAX、WLAN以及衛(wèi)星通信頻段對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)的干擾[9]，具有較好的帶寬和輻射性能，且生產(chǎn)成本較低。

1 超寬帶濾波天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)方法

文中通過(guò)引入超寬帶單極子天線(xiàn)，微帶饋線(xiàn)引入諧振器、貼面開(kāi)槽技術(shù)、互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)了超寬帶濾波天線(xiàn)。

微帶印刷天線(xiàn)[10]由于體積小、剖面薄、成本低、易集成于電路等諸多的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛研究和應(yīng)用。它的工作原理是天線(xiàn)在通過(guò)同軸線(xiàn)饋電后，其上表面和地板之間將存在電勢(shì)差，周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生電場(chǎng)分布，并且隨著電場(chǎng)變化感應(yīng)出相應(yīng)的磁場(chǎng)，繼而產(chǎn)生電磁波。因此本文選擇了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的微帶印刷線(xiàn)路板來(lái)制作超寬帶單極子天線(xiàn)。

天線(xiàn)通過(guò)微帶線(xiàn)饋電，并在微帶饋線(xiàn)的兩邊加有兩個(gè)C型金屬環(huán)，金屬環(huán)可以通過(guò)耦合作用，將經(jīng)過(guò)天線(xiàn)的電磁信號(hào)吸引過(guò)來(lái)，從而產(chǎn)生了濾波效果。C型環(huán)的長(zhǎng)度大約為四分之一波長(zhǎng)，作用相當(dāng)于四分之一波長(zhǎng)諧振器。

CSRR結(jié)構(gòu)[11]是由兩個(gè)開(kāi)口方向相反的同心圓所組成。圖1為CSRR結(jié)構(gòu)圖及CSRR等效電路圖。CSRR具有超材料的性質(zhì)，可以產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率。CSRR諧振時(shí)可以產(chǎn)生阻帶效應(yīng)，這一特性常常被應(yīng)用在濾波器的設(shè)計(jì)之中。本文就是基于CSRR的這一阻帶特性，通過(guò)在天線(xiàn)輻射貼片上蝕刻兩個(gè)大小不等，方向相反的圓形CSRR環(huán)，使輻射天線(xiàn)產(chǎn)生了陷波特性。

圖1 CSRR結(jié)構(gòu)及等效電路圖

通常，CSRR的總尺寸大約為陷波處中心頻率所對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)，即

(1)

(2)

式中,Lc是CSRR的總周長(zhǎng)，εeff是介質(zhì)板的有效介電常數(shù)，c是光速，fnotch是所需陷波的中心頻率點(diǎn)頻率，開(kāi)槽的總體長(zhǎng)度根據(jù)式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算。

2 超寬帶濾波天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

本文提出的超寬帶濾波天線(xiàn)，采用FR4介質(zhì)板，微帶介電常數(shù)εr=4.4，損耗正切tanδ=0.02，介質(zhì)板厚度h=0.8 mm。天線(xiàn)頂層是通過(guò)Y型微帶線(xiàn)耦合饋電[12-15]到輻射貼片單元，地板上刻蝕有矩形槽，環(huán)形貼片上刻蝕圓形互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)CSRR。天線(xiàn)的大小尺寸為28 mm×36 mm，電流通過(guò)饋電端口進(jìn)入到微帶線(xiàn)L，隨后耦合到地板上的矩形槽內(nèi)部，由于矩形槽上面刻蝕了C型槽口能產(chǎn)生某頻率的濾波作用，之后電流再耦合到微帶線(xiàn)L4上面，最后進(jìn)入到環(huán)形天線(xiàn)輻射貼片。由于輻射器上面刻蝕了CSRR結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率，CSRR諧振時(shí)能產(chǎn)生兩個(gè)頻段的濾波作用，最終實(shí)現(xiàn)超寬帶三阻帶濾波性能。圖2為天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 超寬帶濾波天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 天線(xiàn)設(shè)計(jì)尺寸

天線(xiàn)經(jīng)過(guò)HFSS軟件[16]掃描優(yōu)化后，得到最終尺寸結(jié)果，如表1所示。

表1 天線(xiàn)優(yōu)化后的尺寸數(shù)據(jù) /mm

3 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)性能分析

3.1 回波損耗及電壓駐波比

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)的實(shí)用性和有效性，根據(jù)圖2中的天線(xiàn)設(shè)計(jì)加工了天線(xiàn)實(shí)物，圖3給出了天線(xiàn)原型實(shí)物圖。

圖3 濾波天線(xiàn)實(shí)物圖

使用Rohde&Schwarz公司ZVB4矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)UWB三阻帶天線(xiàn)的回波損耗和駐波比進(jìn)行測(cè)量，得到仿真實(shí)測(cè)結(jié)果。圖4為超寬帶濾波天線(xiàn)回波損耗的HFSS仿真結(jié)果和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果。從圖中可看出在頻率范圍3～8 GHz內(nèi)，超寬帶濾波天線(xiàn)回波損耗均小于-10 dB，在中心頻率點(diǎn)3.5 GHz(WIMAX頻段)、5.5 GHz(WLAN頻段)以及7.5 GHz(衛(wèi)星通信頻段)處，產(chǎn)生了明顯的阻帶作用，且阻帶帶寬較寬。天線(xiàn)的駐波比仿真實(shí)測(cè)曲線(xiàn)圖如圖5所示，天線(xiàn)在寬帶范圍內(nèi)的駐波比均小于2，阻抗特性匹配良好。天線(xiàn)的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，偏差由天線(xiàn)加工制作的過(guò)程中的誤差、SMA接頭焊接誤差及介質(zhì)基板質(zhì)量等原因造成。結(jié)果說(shuō)明該天線(xiàn)滿(mǎn)足了需要的設(shè)計(jì)效果。

圖4 天線(xiàn)回波損耗曲線(xiàn)

圖5 天線(xiàn)駐波比曲線(xiàn)

3.2 天線(xiàn)方向圖與增益

超寬帶濾波天線(xiàn)具有比較寬的帶寬，為了保證天線(xiàn)在通帶范圍內(nèi)，各個(gè)頻點(diǎn)都具有良好的全向輻射特點(diǎn)，本文分析了3.1 GHz、4.5 GHz以及6.5 GHz3個(gè)頻點(diǎn)的方向圖，如圖6所示。從上述方向圖可以看出，超寬帶濾波天線(xiàn)的平均增益約為4.5 dB，天線(xiàn)的H面均具有較好的全向性和一定的穩(wěn)定性特點(diǎn)。

圖6 不同頻點(diǎn)處的方向圖

天線(xiàn)的阻帶頻點(diǎn)方向圖如圖7所示，在中心頻率為3.5 GHz、5.5 GHz和7.5 GHz處，增益約為1.5 dB，有顯著的下降，說(shuō)明在這3個(gè)頻段處，天線(xiàn)具有三阻帶的特性。

圖7 阻帶內(nèi)頻點(diǎn)方向圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文是基于超寬帶單極子天線(xiàn)改造成的超寬帶濾波天線(xiàn)。引入耦合饋電方式和CSRR結(jié)構(gòu)，得到的帶寬為3～8 GHz，并且產(chǎn)生了3個(gè)阻帶，濾除了通信干擾頻段。天線(xiàn)通過(guò)HFSS軟件仿真，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)可以看到S參數(shù)、駐波比及輻射特性方向圖均滿(mǎn)足最初的設(shè)計(jì)要求。該款天線(xiàn)尺寸較小、頻帶寬，阻帶較多，相互之間容易產(chǎn)生影響，降低了天線(xiàn)的有效增益[17]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，天線(xiàn)符合UWB天線(xiàn)的性能指標(biāo)要求，在UWB通信系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。