令狐暑暑， 逯 暄， 彭甫镕， 張 婷

(1. 山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006； 2. 山西大學 大數據科學與產業(yè)研究院， 山西 太原 030006)

0 引 言

基于超寬帶技術的室內定位具有穩(wěn)定性強、 抗干擾能力強和定位精度高等優(yōu)點， 在位置服務領域得到了廣泛的應用. 美國聯邦通信委員會為超寬帶商業(yè)應用分配了3.1 GHz～10.6 GHz頻段， 然而在該頻段內仍工作著WIMAX (3.3 GHz～3.7 GHz)、 無線局域網(5.15 GHz～5.825 GHz)、 ITU-8 GHz與X波段衛(wèi)星通信服務(7.25 GHz～7.75 GHz)等無線通信系統(tǒng). 因此， 設計具有阻帶抑制特性的超寬帶天線來緩解這些系統(tǒng)對超寬帶系統(tǒng)的干擾非常必要[1]. 目前常用的抑制單個或多個阻帶的超寬帶天線是在輻射貼片、 饋線或者接地面上刻蝕一定的濾波器結構， 包括不同形狀的槽[2-6]、 窄帶諧振枝節(jié)[7-8]、 寄生諧振結構[9-11]， 如分環(huán)諧振器(Split Ring Resonator, SRR)、 互補開口環(huán)諧振器(Complementary Split Ring Resonator, CSRR)等； 近年來各種缺陷接地結構(Defected Ground Structure, DGS)也在超寬帶天線中用于阻帶抑制[12]. 通過上述濾波結構的組合， 可以達到對阻帶的深度抑制， 這也是設計阻帶抑制超寬帶天線的關鍵.

本文為超寬帶室內定位系統(tǒng)設計了一種深度抑制5.8 GHz WLAN信號的超寬帶天線. 定位系統(tǒng)支持的信道頻段， 即本文天線的工作頻段如表 1 所示.

表 1 UWB系統(tǒng)支持的信道頻段Tab.1 Channels and frequency bands supported by UWB system

1 天線結構設計

本文設計的天線結構如圖 1 所示， 總體尺寸為30 mm×40 mm， 細節(jié)尺寸如表 2 所示. 其中， 介質基板采用介電常數為4.4， 厚度為1.6 mm的FR4材料； 上表面采用“倒箭頭”形貼片作為天線的輻射單元， 可以擴大天線的輻射帶寬； 下表面是天線的地， 它是在矩形地的基礎上， 加載1對底為K3， 高為L3的直角三角形截斷， 并在中間刻蝕一個尺寸為K4×L4的矩形開路槽， 用于增強行波模態(tài)輻射， 分別提高低頻段與高頻段的阻抗匹配， 上下表面構成基本超寬帶單極子全向天線， 如圖 1(a) 所示. 采用1個半波長C形槽與1個半波長RSCSRR槽對相結合的濾波結構實現中心頻率5.8 GHz WLAN信號的深度抑制. 其中， 半波長的C形槽刻蝕在上表面的貼片單元， 如圖 1(b) 所示， 它的尺寸應滿足[13]

(1)

式中：c為光速；fnot為陷波中心頻率；εreff為有效介電常數. 半波長RSCSRR槽對刻蝕在地平面上， 如圖 1(c) 所示， 它的尺寸應滿足[13]

(2)

(a) 超寬帶全向天線

表 2 天線的各部分尺寸Tab.2 The parameters of antenna

2 天線性能分析

利用電磁求解器HFSS對本文設計的天線進行性能分析.

輻射單元采用“倒箭頭”形的貼片， 可以獲得比矩形輻射單元更大的帶寬， 圖 2(a) 中比較了采用本文設計的接地面時， “倒箭頭”形輻射貼片與矩形輻射貼片的S11仿真曲線. 可以看出矩形貼片在5.48 GHz～6.21 GHz時，S11>-10 dB, 而本文提出的結構可以覆蓋整個超寬帶頻段3.10 GHz～10.60 GHz. 這是因為“倒箭頭”形比矩形有更長的電流路徑， 有效地改善了天線的阻抗帶寬.

(a) “倒箭頭”形貼片與矩形貼片

圖 2(b) 比較了采用“倒箭頭”形輻射貼片時， 矩形地面與本文設計的接地面的S11仿真曲線. 由圖可知， 采用矩形接地面時， 阻抗帶寬為 3.14 GHz～7.11 GHz， 本文接地面的阻抗帶寬為3.10 GHz～10.60 GHz， 表明刻蝕三角形截斷與矩形開路槽有效地改善了低頻與高頻處的阻抗匹配.

圖 2(c) 中比較了采用不同濾波結構的駐波比仿真曲線. 可以看出， 不使用濾波結構時整個3.10 GHz～10.60 GHz頻段駐波比均小于2， 滿足超寬帶特性； 僅使用半波長C型槽時， 天線在5.8 GHz處的駐波比為3.70； 僅使用半波長RSCSRR槽對時， 天線的駐波比為5.49； 本文將二者結合， 使駐波比在5.8 GHz達到了7.59， 實現了WLAN信號的深度抑制.

為分析濾波結構的參數對5.8 GHz頻率附近陷波的影響， 圖 3 分別比較了C形槽的gx取1 mm， 2 mm， 3 mm， RSCSRR槽對的gy取0.3 mm， 0.4 mm， 0.6 mm， dY分別取1.2 mm， 1.3 mm， 1.5 mm時天線的電壓駐波比(VSWR)曲線.

(a) 不同gx時

可以看出，gx越大， 陷波帶的中心頻率越高， 當gx取2 mm時， 陷波中心頻率為5.8 GHz；gy的值同樣影響著陷波帶的中心頻率，gy取0.4 mm 時， 陷波的中心頻率為5.8 GHz； 隨著dY從1.2 mm增加到1.5 mm， 陷波帶寬從1.54 GHz 減小到1.32 GHz， 表明dY越小， 陷波帶寬越寬， 這是因為RSCSRR槽對的距離越近， RSCSRR槽對與微帶饋線之間耦合效應越強， 對陷波頻率附近的電磁輻射抑制作用也越強.

3 天線的仿真與測試結果

根據設計制作的天線實物如圖 4 所示， 其實測S11曲線、 VSWR曲線， 以及4 GHz， 6.5 GHz和9 GHz的方向圖與HFSS仿真結果的對比分別如圖 5， 圖 6 所示.

(a) 上表面輻射單元

(a) S11曲線

(a) E面- 4 GHz

由圖可知：

1) 實測的S11曲線在3.00 GHz～4.34 GHz， 6.27 GHz～10.00 GHZ頻段內滿足S11<-10 dB， 符合超寬帶天線的要求； 在4.34 GHz～6.27 GHz 頻段內滿足S11>-10 dB， 陷波的中心頻率為5.45 GHz， 陷波帶寬為4.34 GHz～6.27 GHz， 可以抑制5.8 GHz的WLAN信號.

2) 實測的VSWR曲線在3.00 GHz～4.57 GHz, 6.22 GHz～10.20 GHz頻段內小于2， 符合超寬帶天線的要求； 陷波中心頻率5.45 GHz處的VSWR為6.28， 在4.57 GHz～6.22 GHz時， VSWR>2， 滿足對5.8 GHz WLAN信號的深度抑制.

3) 由于加工誤差、 測量誤差、 天線接頭損耗等原因， 實測曲線與仿真相比有向左大約0.35 GHz的偏移， 但與仿真結果基本吻合， 不影響正常使用.

4) 在各個測量頻點上， 天線方向圖的E面主極化呈“8”字， H面具有全向的輻射特性， 實測結果和仿真基本吻合. H面在4 GHz時的全向性最好， 方向圖的仿真增益起伏約為2.1 dB， 隨著頻率的升高， 輻射方向圖H面的全向性變差， 在頻率為9 GHz時， 方向圖旁瓣效應增強.

綜上所述， 本文設計的天線在室內定位系統(tǒng)的工作頻帶內阻抗匹配良好， 具有全向的輻射性能， 并且可以深度抑制通帶內的WLAN信號， 滿足室內定位系統(tǒng)的使用需求.

4 結 論

本文為超寬帶室內定位系統(tǒng)設計了一種可以深度抑制5.8 GHz WLAN信號的單陷波超寬帶全向天線. 首先設計了“倒箭頭”形的基本輻射單元， 并改進了矩形地面用于增強超寬帶內的阻抗匹配， 然后在輻射貼片上刻蝕半波長C形槽， 在接地面上刻蝕半波長RSCSRR槽對， 實現了對5.8 GHz WLAN信號的深度抑制. 實測的天線帶寬為3.00 GHz～10.00 GHz， 阻帶為4.34 GHz～6.27 GHz， 阻帶中心頻率5.45 GHz處的駐波比達到了6.28； 整個工作頻率范圍內， 天線方向圖具有較好的全向輻射特性， 滿足超寬帶室內定位系統(tǒng)抑制5.8 GHz WLAN信號的設計需求.