具有双陷波特性的UWB贴片天线设计

具有双陷波特性的UWB贴片天线设计
席在芳;唐志军;曾智豪;詹杰
【摘要】考虑到超宽带(UWB)无线通信系统对现有无线通信系统工作的影响,设计一种具有IEEE WiMAX和IEEE WLAN双陷波特性的超宽带天线.该天线尺寸大小为1.0 mm×20 mm×25 mm,采用扇形阶梯状贴片作为主辐射单元,通过在该辐射贴片上嵌入L形和半圆环形槽缝来实现陷波特性,并且在主辐射单元2边增加附加矩形贴片来展宽天线阻抗带宽.仿真实验结果表明:天线的阻抗带宽为3.0~12.9 GHz,同时具有3.3~3.8 GHz和5.2~5.8 GHz双陷波,平均增益约为4.5 dB,并具有稳定的准全向性辐射特性.该天线能够满足多种超宽带通信系统的应用要求.
【期刊名称】《吉首大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(038)004
【总页数】5页(P42-46)
【关键词】超宽带天线;双陷波特性;扇形阶梯状贴片;槽缝天线
【作者】席在芳;唐志军;曾智豪;詹杰
【作者单位】湖南科技大学信息与电气工程学院,湘潭 411201;湖南科技大学信息与电气工程学院,湘潭 411201;湖南科技大学信息与电气工程学院,湘潭 411201;湖南科技大学物理与电子科学学院,湘潭 411201
【正文语种】中文
【中图分类】TN925
由于具有高速数据率、高准确度、超低频谱功率密度、低复杂度和低成本等诸多优点，超宽带通信技术被认为是无线领域中最有前途的技术之一.自从美国联邦通讯委员会(FCC)在2002年为UWB无线应用分配3.1～10.6 GHz工作频带以来，UWB已经被广泛应用于短距离和高速无线通信系统中，如医疗图像系统、高速无线局域网、军事通信系统和短脉冲雷达通信系统等.
作为超宽带通信系统的重要组成部分，这几年超宽带天线受到了越来越多的关注，目前所设计的UWB天线主要聚焦于槽缝和单极子几何结构[1-3].然而，UWB系统的宽频特性会干扰现有无线通信系统的运行，如IEEE WiMAX网络(3.3～3.7 GHz)和IEEE WLAN网络(5.15～5.825 GHz)就工作在UWB频带内.因此，设计具有陷波特性的UWB天线就显得十分重要.国内外学者在设计超宽带天线时，为了使天线具有陷波特性，采用了多种不同技术来实现该目的，例如在天线的结构中附加寄生结构单元贴片[4-5]，使用分形结构[6-7]，改变调谐枝节结构[8-9]，嵌入不同形状和大小的槽[10-14]等，其中在辐射贴片或者介质基板上嵌入不同形状和大小的槽缝的方法应用最为广泛.嵌入槽缝结构的天线比较容易产生陷波，槽缝的大小、形状和宽窄等参数皆对陷波的性能有直接影响，可以决定陷波的频率范围、陷波峰值的大小以及带宽等，对超宽带天线的阻抗值影响较小.采用线性缝隙嵌入方法时，缝隙宽度要适当，不能太大，可以通过调整缝隙长度来调节陷波特性，从而增强天线的阻抗带宽特性调节的灵活性.槽的形状是各式各样的，比如直线形、T 形、H形、O形等.不管槽或缝隙的形状如何变化，大多数情况是通过改变天线表面的电流分布来产生不同的陷波.基于UWB天线的设计理论和研究现状，笔者探索性地提出一种具有全球微波互联接入(Wimax)和无线局域网(WLAN)频段双陷波的超宽带贴片天线.天线的主辐射单元采用扇形阶梯状贴片，通过在该辐射贴片上嵌入L形和半圆环形槽，使其在窄带Wimax频段(3.3～3.7 GHz)和WLAN频段(5.15～5.825 GHz)内产生陷波.此外，采用微带反馈传输线和局部接地的方法，使
所设计的超宽带天线具有阻抗带宽较宽、通频带内增益较高和远场辐射稳定等优质性能.
基于UWB天线设计理论，在天线中引入窄槽或缝隙可以使UWB天线具有陷波特性.引入窄槽或缝隙通常有2种途径：(1)在辐射主体上引入窄槽或缝隙，通过改变其电流分布，使超宽带天线产生陷波；(2)在绝缘基板上引入窄槽或缝隙，可以改
变局部频段的天线阻抗，从而使天线具有陷波特征.上述实现陷波特性的途径，其
实质就是通过引入窄槽或缝隙结构，使得天线具有带阻滤波器的功能.此外，为了
使产生的陷波契合现有无线通信系统的频带，需要根据设计要求及目标，调整窄槽或缝隙的位置及参数，从而产生符合需求的陷波特征.当然，在准确产生陷波的同时，也要考虑天线的阻抗带宽，不能单方面考虑陷波特性而大幅度降低天线的带宽特性，即需要在天线的阻抗带宽和陷波特性之间找到一个平衡.
超宽带天线的物理结构及几何参数如图1所示.辐射主体为准扇形层次状结构，两
旁增加2个相同形状的附加矩形贴片.为了满足天线的小型化要求，天线采用金属
辐射层与绝缘基板层共面的结构，总体物理尺寸为L4×W4×h.选用廉价的FR4材料作为超宽带天线的基板材料，其厚度h=1.0 mm，介电常数εr= 4.4.采用微带线馈电，微带线与天线的主辐贴片相连，两旁紧挨双附加谐振贴片.为了使所设计的
超宽带天线具有双陷波特性，在其主辐射单元上引入一个倒“L”形的窄槽和宽开
口的“C”缝隙.“L”窄槽的宽度为s，槽的长边为W5，短边长为L.宽开口的“C”缝隙的半径为R2.在天线上引入倒“L”形窄槽的主要目的是让天线产生IEEE WiMAX陷波，而引入宽开口的“C”缝隙是为了使天线能产生WLAN陷波.可以
通过调整倒“L”形的窄槽和宽开口的“C”缝隙的几个关键参数来调整陷波的频
带位置及陷波宽度.
天线结构及参数影响分析是天线优化设计的关键环节.接下来主要分析附加矩形贴片、L形槽缝和半圆环形槽缝对天线带宽或陷波性能的影响.
2.1 附加矩形贴片对天线带宽的影响
当天线没有附加矩形辐射贴片时，其CST仿真结果如图2所示.从图2可以明显看出：无论怎么调整扇形阶梯状辐射贴片的参数，天线的阻抗带宽都不能满足FCC 规定的带宽要求(3.1～10.6 GHz)；当天线增加1个矩形辐射贴片时，天线的阻抗带宽明显得到展宽，但在低频段还不能满足FCC要求；当天线增加2个相同矩形贴片时，天线的阻抗带宽得到进一步展宽，能够很好地满足FCC要求.
2.2 倒“L”形窄槽的宽度对天线陷波性能的影响
为了分析倒“L”形窄槽的宽度对天线产生陷波的位置和宽度的影响，利用CST软件对3组具有不同窄槽宽度s1的天线进行了仿真实验.仿真结果如图3所示.仿真结果表明：倒“L”形窄槽宽度s1依次为0.1，0.2，0.3 mm时，超宽度天线的陷波范围分别为3.30～3.80 GHz，3.30～4.2 GHz，3.30～4.40 GHz；随着窄槽宽度s1的变大，陷波的宽度也在增大.
2.3 宽开口的“C” 形缝隙宽度对天线陷波性能的影响
“C”形缝隙槽缝宽度对天线陷波性能影响的CTS仿真结果如图4所示.由图4可知：当宽开口的“C” 形缝隙宽度s2被设定为3种不同的值时，陷波的回波损耗(S11)各不相同，其位置也存在明显的变化；s2依次为0.1，0.2，0.3 mm时，陷波宽度分别为7.00～7.50 GHz，5.10～5.80 GHz，4.40～5.50 GHz，但不容易从s2对陷波位置及宽度的影响中看出规律.
基于前文各参数对天线性能影响的仿真结果，优化后的天线尺寸参数如表1所示.通常用S11或驻波比(VSWR)来分析天线的阻抗带宽.然而增益(Gain)也是衡量天线性能指标的重要参数之一，天线的增益通常表示在某一特定方向发射和接收信号的能力，远场辐射(Far Field Radiation)性能比较直观地反映出天线在各个方向上的辐射能力.因此，接下来主要针对阻抗带宽(VSWR<2或S11<-10 dB)、增益和辐射3个特性进行分析.
图5—6分别示出天线驻波比与天线增益特性的CTS仿真结果.
从图5可以看出，在3.30～3.80 GHz和5.20～5.80 GHz 2个频段内，天线驻波比VSWR>2.这说明天线具有双陷波特性，并且符合IEEE WiMAX(3.3～3.7 GHz)和IEEE WLAN(5.15～5.85 GHz)的频段要求.此外，该天线还具有较宽的阻抗带宽(3.1～12.9 GHz).
图6只显示出3.00～11.0 GHz频域范围内的天线增益曲线.从仿真结果来看，在整个工作频带3.00～11.0 GHz范围内，天线的增益值均超过了3.0 dB，而在3.30～3.80 GHz和5.20～5.80 GHz 2个分离的频段，天线的增益变得很小，这再次验证了天线具有双陷波特性.
图7示出天线的E面(x-z plane)和H面(y-z plane)在频率分别为3.50，6.50，9.50 GHz时的远场辐射特性.
由图7可以看出，无论是在低频段，还是在高频段，天线的E面远场特性近似于单极子超宽带天线的远场特性，但随着天线工作频率增大到9.50 GHz，其远场特性逐渐表现出不稳定性.天线E面远场特性整体来说表现为准全向性，但在低频段表现出好的全向性，而在高频段则表现为方向性远场特性.
笔者探索性地将倒“L”形的窄槽和宽开口的“C” 形缝隙引入到超宽带天线设计中，设计了一种尺寸缩减的、具有双陷波特性的共面超宽带天线.该天线不仅具有IEEE WiMAX和IEEE WLAN频段双陷波特性，且具有尺寸较小、带宽宽、增益高和远场辐射特性较好等特点，能够满足多种无线超宽带通信系统的应用要求.
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