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        緊湊型帶阻特性矩形微帶貼片超寬帶天線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

        2021-01-22 09:17:20波,羅
        火力與指揮控制 2020年12期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        楊 波,羅 斌

        (1.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 廣元 628040;2.西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 611756)

        0 引言

        天線是無線通信系統(tǒng)不可或缺的部分,并且極大地影響了其性能,因此,超寬帶寬(Ultra Wide Bandwidth,UWB)的天線已經(jīng)受到了研究人員的極大關(guān)注[1-3]。目前,寬帶天線的類型主要包括介質(zhì)諧振器天線、印刷縫隙天線、印刷單極天線和平面微帶貼片天線。其中,因?yàn)榫哂兄亓枯p、成本低、體積小、易于批量制造的優(yōu)勢和寬帶特性,微帶貼片天線被認(rèn)為是超寬帶應(yīng)用的最佳選擇[4]?,F(xiàn)階段,關(guān)于微帶天線的研究主要注重于帶寬改進(jìn),其可分為3 類[5]:一種是在錐形貼片中進(jìn)行場分布;另一種是實(shí)現(xiàn)多個(gè)共振的饋電方案;第3 種使用不同形狀的插槽和孔徑,以產(chǎn)生較寬帶寬。

        現(xiàn)有研究文獻(xiàn)中,大多數(shù)天線帶寬有限,幾乎未涵蓋指定的超寬帶頻段(3.1 GHz~10.6 GHz)[6-8]。參考文獻(xiàn)[9-13]中介紹的天線具有非常寬的阻抗帶寬,涵蓋UWB 頻帶和Ku 頻帶(12 GHz~18 GHz)。然而,這些天線在較高頻率下存在大尺寸或不規(guī)則輻射方向圖的缺點(diǎn),并可能對無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN)造成干擾。特別需要注意的是,陷波帶的功能是UWB 天線的所需參數(shù)之一,以避免現(xiàn)有指定頻帶的干擾,尤其是頻繁用于無線局域網(wǎng)的子帶5.1 GHz~5.9 GHz。因?yàn)閁WB 通信常被用于無線局域網(wǎng)覆蓋下的短距離通信。文獻(xiàn)[14]中的天線具有緊湊的尺寸、寬阻抗帶寬(1.88 GHz~12.01 GHz)和陷波特性,但會產(chǎn)生復(fù)雜的天線幾何形狀和不穩(wěn)定的輻射方向圖,尤其是在高頻條件下。

        緊湊型微帶貼片天線設(shè)計(jì)具有非常寬的工作帶寬(2.9 GHz~23.5 GHz),不僅涵蓋UWB 波段、X波段(8 GHz~12 GHz)和Ku 波段,還包括較低的K波段(18 GHz~27 GHz)應(yīng)用。因此,本文選擇緊湊型微帶貼片為UWB 天線設(shè)計(jì)方向。本文設(shè)計(jì)主要目的是增強(qiáng)WLAN 帶阻特性的天線的帶寬,同時(shí)保持穩(wěn)定的輻射和較小天線尺寸,使其適用于便攜式電子設(shè)備。所提出的天線結(jié)構(gòu)非常簡單(部分地面上具有U形槽的矩形截?cái)噘N片),并且參數(shù)很少。貼片的下角用半圓截?cái)嘁詫?shí)現(xiàn)寬帶特性,而陷波是通過在輻射貼片上蝕刻U 形槽而實(shí)現(xiàn)的。在泰康利TLY-5 基板(εr=2.2)上進(jìn)行了具體實(shí)現(xiàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該天線可有效適用于WLAN 系統(tǒng)頻段的超寬帶通信中。

        1 提出的UWB 天線設(shè)計(jì)

        1.1 天線結(jié)構(gòu)

        提出天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示。天線由簡單的截?cái)嗑匦钨N片和部分接地面組成,印刷在長度為L、寬度為A 和厚度為H 的泰康利TLY-5 基板的兩側(cè)?;宓南鄬殡姵?shù)(εr)為2.2,損耗角正切(tan δ)為0.000 9。部分接地面的長度是Lg,寬度與基板A 的寬度相同。R 是截?cái)噘N片下角的圓的半徑。寬度為WS的U 形槽的位置用P 表示,而LS和Ly分別表示槽的水平長度和垂直長度。天線由具有50 Ω 特性阻抗且寬度為WF的微帶饋電。天線設(shè)計(jì)的整體尺寸為A×L×H mm3,這是具有陷波特性的最小UWB 天線設(shè)計(jì)之一。優(yōu)化天線的參數(shù)總結(jié)如下:A=13mm,L=22mm,H=0.78mm,Lg=8.7mm,Lp=12 mm,P=8 mm,LS=11 mm,Ly=5 mm,WS=0.5 mm,WF=1.5 mm,R=3.5 mm。

        圖1 天線的幾何形狀和配置

        1.2 UWB 天線設(shè)計(jì)

        通過改變貼片長度Lp、貼片寬度A、饋線寬度WS和接地平面Lg的長度,設(shè)計(jì)并優(yōu)化了具有有限平面圖的常規(guī)矩形輻射貼片。與其他微帶貼片天線一樣,該天線的最大預(yù)期帶寬為3.1 GHz~11 GHz。之后,利用半徑為R 的圓來截?cái)噘N片的下端來修改輻射路徑。對R 進(jìn)行調(diào)諧,與初始設(shè)計(jì)相比,阻抗帶寬增加了一倍以上。也就是說,天線在2.9 GHz~23.5 GHz 之間獲得了非常寬的阻抗帶寬,傳統(tǒng)貼片和改進(jìn)貼片天線的電壓駐波比[10](Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)如下頁圖2 所示。實(shí)際上,輻射貼片的場分布是通過截?cái)噍椛滟N片的下角來支持多種諧振模式來實(shí)現(xiàn)的,而不只是利用完整地面上傳統(tǒng)微帶貼片天線內(nèi)的一個(gè)諧振。相互閉合的多個(gè)諧振(f0,f1,…,fn)被合并,以提供更寬的帶寬。微帶貼片天線在基本共振(f0)處的表現(xiàn)為1/4 波長單極子,而在較高模式下f1,…,fn將是f0的諧波,如圖3所示。因此,可以通過一個(gè)簡單的方法和一些調(diào)整變量來實(shí)現(xiàn)非常寬的帶寬。

        圖2 傳統(tǒng)貼片和改進(jìn)貼片天線的VSWR

        圖3 演示多個(gè)共振的重疊以實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬

        1.3 陷波UWB 天線的設(shè)計(jì)

        陷波功能是UWB 天線的重要特性之一,特別是在WLAN 頻帶上,可以避免對現(xiàn)有授權(quán)頻帶的干擾。貼片上刻有U 形槽,以避免對WLAN 系統(tǒng)造成干擾,例如在5 GHz~6 GHz 頻段上運(yùn)行的IEEE 802.11a 和HIPER-LAN/2。由U 形槽產(chǎn)生的陷波帶頻率可按如下進(jìn)行計(jì)算:

        天線可以通過諧振結(jié)構(gòu)短截線來建模,該短截線由在傳輸線模型中彼此并聯(lián)的電感器和電容器組成。在陷波帶(4.9 GHz~6.1 GHz),輸入阻抗非常高,輸入電抗不是0 Ω(圖5),造成微帶饋線和輻射元件之間的總阻抗不匹配。然而,在其他頻率(通帶)下,由于良好匹配的阻抗,短截線沒有影響。因此,實(shí)現(xiàn)了有效的帶阻功能,以過濾WLAN 信號。

        圖4 帶有和未帶有U 形槽的天線的VSWR

        圖5 天線和等效電路的阻抗

        2 天線設(shè)計(jì)具體過程介紹

        圖6 具有陷波帶特性的2.9 GHz~23.5 GHz 天線的設(shè)計(jì)過程

        設(shè)計(jì)天線的詳細(xì)過程如圖6 所示。使用了基于有限元方法的商用模擬器Ansoft HFSS 來對天線進(jìn)行建模和優(yōu)化。最初,設(shè)計(jì)了簡單的微帶線饋電的矩形貼片。通過調(diào)整變量Lp、L、A、WF和Lg來優(yōu)化天線,以獲得與傳統(tǒng)微帶貼片天線一樣的最佳帶寬。Lp和A 表示貼片的尺寸,因此,它對中心頻率以及阻抗匹配產(chǎn)生影響,而WF(饋電微帶的寬度)和Lg(接地面的長度)極大地影響天線的阻抗匹配。發(fā)現(xiàn)Lg對天線匹配很敏感,因此,在設(shè)計(jì)天線的過程中對其進(jìn)行更改時(shí)要特別仔細(xì)。

        之后,通過用半徑為R 的圓截?cái)噘N片的下角來修改輻射貼片,以獲得更寬的帶寬??梢酝ㄟ^改變R的值,來實(shí)現(xiàn)非常寬的天線帶寬。最后,在貼片上蝕刻U 形槽,并通過改變槽的尺寸(Ls、Ws、Ly)和槽P的位置來對其進(jìn)行優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)對所需WLAN 的陷波。槽的長度(LS+Ly)決定中心陷波頻率,而槽WS的寬度有助于選擇陷波帶的頻率范圍。槽(P)的位置要有利于天線,獲得更好的阻抗匹配和陷波特性。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 VSWR 和峰值增益測量

        天線原型是在0.79 mm 厚的泰康利TLY-5 基板[8]上制造的,以便用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,如圖7 所示。使用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量所設(shè)計(jì)天線的VSWR 和輻射特性。圖8 顯示了模擬和測量的VSWR。測量結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致。從結(jié)果可以清楚地看出,天線可在3.9 GHz~23.5 GHz 的帶寬下工作,在WLAN 頻段(4.9 GHz~6.1 GHz)內(nèi)具有帶阻功能。天線的VSWR 在很寬的范圍內(nèi)仍然小于2(阻止帶除外),相當(dāng)于156%的分?jǐn)?shù)帶寬。

        圖7 天線的原型

        圖8 天線VSWR 隨頻率的變化

        圖9 顯示了天線的測量和模擬峰值增益隨著頻率變化的情況。可以看出所提出的天線在感興趣的頻率范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定的峰值增益曲線,最大值為6.1 dB,在陷波帶周圍發(fā)現(xiàn)急劇下降(4.9 GHz~6.1 GHz)。在5.5 GHz 時(shí),增益值大約是-5 dB。這證明了天線的陷波特性的有效性。峰值增益在低頻時(shí)較低,并且隨著頻率的增加而增加,這是由于在較高頻率下天線的有效尺寸增加。測量增益和模擬增益之間的微小差異可能是由于測量誤差造成的。

        圖9 天線峰值增益隨頻率的變化

        3.2 H 平面和E 平面輻射方向圖分析

        圖10 和下頁圖11 分別顯示了H 平面(xz 平面)和E 平面(yz 平面)上的模擬和實(shí)測輻射方向圖(4 GHz、8 GHz、12 GHz 和16 GHz)。繪制輻射方向圖的主要目的是證明天線可以在非常寬的頻帶上工作。該天線在UWB 波段(3.1 GHz~10.6 GHz)、X 波段(8 GHz~12 GHz)和Ku 波段(12 GHz~18 GHz)上具有穩(wěn)定且接近全向的輻射特性。H 平面上的輻射方向圖幾乎是對稱的,并且對于4 GHz、8 GHz、12 GHz和16 GHz 是全向的,而它在E 平面中是啞鈴狀的雙向。該輻射方向圖類似于在y 軸處定向的寬帶單極天線。由于在高頻下等效輻射面積增加,因此,16 GHz 處E 平面輻射方向圖幾乎沒有變化。

        圖10 xz-平面(H-平面)上提出天線在不同頻率下的輻射模式

        圖11 yz-平面(E-平面)上提出天線在不同頻率下的輻射模式

        為了更好地分析天線的輻射機(jī)制,在圖12 中評估了陷波帶(5 GHz)和通帶(10 GHz 和15 GHz)的模擬電流分布。由于槽的共振,更多的電流集中在5.5 GHz 的槽中。功率被反射回端口,導(dǎo)致陷波帶的產(chǎn)生。在10 GHz 和15 GHz 時(shí),電流密度集中在輻射器中,特別是在截頭角和饋電區(qū)域。因此,可以有效地輻射功率,以產(chǎn)生對稱的輻射方向圖和較高增益。

        圖12 天線在不同頻率下的電流分布

        3.3 性能對比

        最后,在表1 中將該天線與現(xiàn)有已提出的UWB天線在大小、帶寬和陷波特性方面進(jìn)行了比較。可以看出,提出的天線不僅解決了UWB 信號對WLAN 頻帶產(chǎn)生的干擾,同時(shí)提供了相當(dāng)小的天線尺寸,帶寬更寬并且具有全向輻射方向圖??傊?,由于其天線配置簡單、尺寸更小、陷波功能、輻射方向圖穩(wěn)定性以及非常寬的帶寬特性,所提出的天線優(yōu)于現(xiàn)有天線。

        表1 所提出的天線與現(xiàn)有UWB 天線的性能比較

        4 結(jié)論

        本文實(shí)現(xiàn)了具有WLAN 帶阻特性的緊湊型2.9 GHz~23.5 GHz 微帶貼片天線。該天線主要由改進(jìn)型矩形貼片構(gòu)成,包括由微帶線和部分接地面饋電,并印刷在泰康利TLY-5 基板(0.79 mm)的兩側(cè),介電常數(shù)為εr=2.2。通過截?cái)噘N片的下角來獲得天線的寬帶特性,而通過在輻射貼片上蝕刻U 形槽來引入陷波帶。仿真和測量結(jié)果表明,在VSWR 小于2 時(shí),天線具有陷波帶(4.9 GHz~6.1 GHz)可以有效抑制WLAN 信號,同時(shí)具有2.9 GHz~23.5 GHz 的較寬阻抗帶寬。除了具有緊湊的尺寸、良好的輻射穩(wěn)定性和較寬的阻抗帶寬這些優(yōu)點(diǎn)外,該UWB 天線還具有機(jī)械堅(jiān)固性、易于集成到電路板中以及出色的低成本批量生產(chǎn)適宜性等特點(diǎn)。

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