一种采用组合陷波结构的新型超宽带平面天线
一种小型的具有良好陷波特性的超宽带缝隙天线_叶亮华
一种小型的具有良好陷波特性的超宽带缝隙天线叶亮华,褚庆昕(华南理工大学电子与信息学院,广东广州510640) 摘 要: 为了有效地抑制超宽带通信系统与窄带通信系统之间潜在的干扰,提出了一种小型的带组合陷波结构的缝隙超宽带天线.该天线采用印刷电路板上的多边形缝隙作为辐射单元,由背面的T 形微带线馈电,天线的总尺寸仅为16mm ×25mm ×0.8mm .通过T 形微带上开的一C 形槽和地板上开的一矩形槽的组合陷波结构,产生阻带特性且阻带陡度更陡峭、带宽更宽,实现了良好的陷波功能.仿真和测试的结果表明,天线在超宽带系统3.1GHz ～10.6GHz 工作频段内的电压驻波比小于2,在5～6GHz 频率范围实现了良好的滤波特性,有效地阻隔了无线局域网系统对超宽带系统的影响.同时该天线在整个工作频段具有良好的全向辐射方向特性和稳定的增益.关键词: 超宽带天线;陷波特性;缝隙天线;小型天线中图分类号: TN822 文献标识码: A 文章编号: 0372-2112(2010)12-2862-05Improved Notch -Band Slot UWB Antenn a with Small SizeYE Liang -hua ,C HU Qing -xin(Sc hool of Elec tronic and Infor mation Enginee ring ,South China Unive rs ity of T echnol ogy ,G uangzhou ,Guangdong 510640,China )Abstract : In order to minimize the potential interferences between the ultra -wideband sy stems and the narrowband communi -cation systems effectively ,a compact slot u ltra -wideband antenna with assembled band notched structure i s presented .A polygon slot o n a printed circuit board i s taken as the radiating element and is fed by a T -shaped stub .The overall size of the antenna is as small as 16mm ×25mm ×0.8mm .T he assembled band -notch structure formed by a C -shaped slit in the T -shaped stub and a rectangular slit embedded in the ground plane i s implemented to shape a much sharper ,wider ,and deeper notch -band .Simulated and measured results indicate that the propo sed antenna yields an voltage standing wave ratio (VSWR )of less than 2in the impedance bandwidth range of 3.1to 10.6GHz ,except the bandwidth of 5.0～6.0G Hz fo r band notch .Thus ,the negative effect of WLAN on ultra -wideband system is eliminated effetively .Omnidirectional radiation pattern and stable gain are obtained in the whole bandwidth range .Key words : ultra -wideband antenna ;no tched characteristics ;slot antenna ;small antenna1 引言 自从美国联邦通信委员会(FCC )于2002年将3.1～10.6GHz 频段划归为超宽带(UWB )的民用使用频段[1]后,UWB 系统的设计和应用就引起了研究人员的广泛关注[2～4].超宽带天线作为超宽带系统的重要组成部分,成为近年来研究的热点.超宽带天线的主要设计要求包括在超宽频带(3.1～10.6GHz )内阻抗匹配、具有良好的全向辐射方向特性和稳定的增益,并要求天线小型化以及制造成本低.以往很多超宽带天线的尺寸往往较大,难以实现与小型UWB 系统的集成,因此,小型超宽带天线成为近年来实验研究的一大热点[5].超宽带系统的通信频段内覆盖了5.150～5.825GHz的无线局域网(WLAN )窄带系统频段,为了抑制超宽带系统与窄带系统间潜在的干扰,通常需要在超宽带系统内加入带阻滤波器滤除窄频带,但这不仅增大系统的复杂度,同时还增加了成本.一种简单而有效的方法就是在超宽带天线中引入陷波结构,使天线能在WL AN 窄带系统的频段内呈现较大的反射系数,实现滤波功能[6～9].由于宽缝隙天线具有阻抗带宽宽、结构简单、易加工、成本低和易与其他微波电路相集成等特性,研究人员广泛应用宽缝隙天线来设计UWB 天线[10～14].文献[10]中提出了一种矩形缝隙超宽带天线,利用宽缝隙天线的多频谐振特性,能产生超宽带特性,但该天线的尺寸较大,同时也没有引入陷波结构,不具备滤波功能.文收稿日期:2009-12-01;修回日期:2010-03-16基金项目:国家自然科学基金重点项目(No .U0635004);广东省自然科学基金资助项目(No .60571056)第12期2010年12月电 子 学 报ACTA ELECTRONICA SINICA Vol .38 No .12Dec . 2010献[11]中提出了一种带陷波结构的T 形微带馈电缝隙超宽带天线,文中提出了三种单陷波结构,即T 形馈电微带上开一半波长的细槽、开一对1/4波长的细槽,或在矩形缝隙中加了一对半波长的微带枝节,这些单陷波结构都能产生滤波功能.此外,在圆形缝隙上嵌入一圆弧形微带枝节[12],也能实现超宽带天线的滤波特性.但是,上面所述的陷波结构只能产生单个滤波频率点,阻带的陡度不陡峭且带宽较窄,使得天线的滤波效果较差,不能有效地消除UWB 系统与其他窄带系统之间潜在的干扰.与此同时,上述缝隙超宽带天线[10～12]的尺寸较大,难以实现与小型超宽带系统的集成.为此,本文提出了一种具有良好陷波特性的带组合陷波结构的多边形缝隙超宽带天线.通过引入多边形缝隙作为天线的辐射单元,可以更好地实现阻抗匹配,减小天线的尺寸,天线的总尺寸仅为16×25×0.8mm ,比大部分缝隙超宽带天线[10～14]的尺寸都小.T 形微带馈线上开的一C 形细缝与地板上开的一矩形细缝的组合陷波结构,能在阻带内产生两个滤波频率,这两个滤波频率耦合在一起使阻带陡度更陡峭且带宽更宽,从而实现良好的陷波功能.通过调整T 形微带上的C 形细缝和地板上矩形细缝的长度,可以改变天线的陷波频率.实验结果表明,文中提出的天线在3.1～10.6GHz 工作频段内的电压驻波比小于2,在5～6GHz 阻带频率范围内实现了良好的滤波特性,有效地阻隔了无线局域网系统对超宽带系统的影响.同时,该天线在整个工作频段具有良好的全向辐射方向特性和稳定的增益,因此,该天线是一种具有良好使用价值的超宽带天线.2 多边形缝隙超宽带天线的设计 多边形缝隙超宽带天线的结构和尺寸如图1所示,该天线印制在一块厚度为0.8mm 、相对介电常数为2.55的Neltec NY9255印刷电路基板上.天线由雕刻在地板上的多边形缝隙和背面T 形微带馈线组合而成,多边形缝隙和T 形微带都采用了渐变结构,结构渐变性使得天线从一个频率谐振模式平缓地过渡到另一个频率谐振模式,确保了在较宽的频带内获得良好的阻抗匹配[6～7].天线利用宽缝隙天线的多谐振特性产生超宽带工作频段;多边形缝隙具有较多的设计尺寸参数,与矩形、圆形或椭圆缝隙UWB 天线相比,多边形缝隙UWB 天线可调的尺寸参数更多,更容易实现阻抗匹配. 作为谐振型天线,可以通过调整多边形缝隙的尺寸参数来控制天线的最低谐振频率.多边形缝隙天线的最低谐振频率f 可以通过下面的等式得到:(1)其中L 为多边形缝隙的周长,c 为光速,εef f 为相对介电常数.根据上面的阐述,这种缝隙超宽带天线的设计步骤可以概括为如下所述.首先确定T 形微带馈线的宽度,使馈电微带的特征阻抗约为50Ψ;然后根据等式(1)确定多边形缝隙的初始尺寸,使其在低频(3～4GHz )辐射产生谐振频率;最后优化多边形缝隙和T 形微带枝节的设计参数,使天线在3.1～10.6GHz 频段内具有良好的阻抗匹配,满足设计要求. 根据上面所阐述的设计步骤,我们应用电磁仿真软件Ansoft HFSS 对天线进行初始化设计,获得天线的尺寸参数如图1所示,天线的总尺寸为16×25×0.8mm ,具有较小的体积和较低的剖面尺寸,有利于实现与小型超宽带系统的集成化设计.在天线的设计过程中,如果知道了天线的尺寸参数的变化对天线性能的影响规律,那么我们就可以快速有效地完成天线的设计.从上面的分析中可以看出多边形缝隙的设计参数对天线的性能影响较大,因此我们研究了缝隙尺寸的变化对天线输入阻抗匹配的影响.图2(a )所示的是天线的阻抗匹配随着参数L 1、W 12863第 12 期叶亮华:一种小型的具有良好陷波特性的超宽带缝隙天线的频率变化曲线,其他的参数与图1相同.从图2(a )中可以看出,随着L 1、W 1的增大,天线在3.1～10.6GHz 频段实现了更好的阻抗匹配;同样,随着L 2、W 2的增大,可以改善天线在超宽带频带3.1～10.6GHz 的阻抗匹配,如图2(b )所示.从上面的分析可见,缝隙的渐变结构有利于改善天线在整个超宽带频带内的阻抗匹配.3 陷波超宽带天线的设计 上面所述的缝隙超宽带天线没有引入陷波结构,不具备滤波功能,不能消除超宽带系统与窄带系统之间潜在的干扰.文献[11,12]中提出了多种带陷波结构的缝隙超宽带天线,但这些天线只能产生单个滤波频率点,阻带的陡度不陡峭且带宽较窄,滤波效果较差.为了改善天线的滤波性能,本文提出了一种带组合陷波结构的缝隙超宽带天线,如图3所示(陷波结构以外的尺寸与图1相同).由T 形微带馈线上开的一倒C 形细缝与天线地板上开的一开路矩形细缝组成天线的陷波结构,其中C 形细缝和矩形细缝谐振产生的带阻频率(f 1、f 2)分别由它们的总长度决定:f 1=c2L 11εre (2)f 2=c 4L 22εre(3)其中L 11、L 22分别为C 形细缝和矩形细缝的总长度,c 为光速,εre 为相对介电常数.根据等式(2)和(3)可以得出,当f 1与f 2的数值相差较大时,天线能形成两个阻带,实现双陷波特性;当f 1与f 2的数值相差不大且耦合在一起时,相当于一个二阶的带阻滤波器,使阻带陡度更陡峭且带宽更宽,从而实现了良好陷波功能. 我们研究了几种总长度不同的C 形缝隙与矩形缝隙的组合陷波结构对天线性能的影响,如图4所示.从图中可见,随着陷波结构总长度的减小,阻带频率向高处平移,这与等式(2)和(3)表达一致;从图中还可以看出,C 形缝隙与矩形缝隙产生的阻带频率耦合在一起,阻带的陡度更陡峭,天线的阻带在这三种情况下都有良好的滤波特性.为了比较带各陷波结构的缝隙超宽带天线的阻带特性,本文研究了各种陷波缝隙超宽带天线的阻抗匹配,如图5所示.从图中可见,组合陷波结构缝隙UWB 天线的阻带比各单陷波结构缝隙UWB 天线更陡峭,即组合陷波结构缝隙UWB 天线的滤波效果更好. 通过电磁仿真软件Ansoft HF SS 仿真,图6给出了缝隙U WB 天线的电流分布情况,在通带4GHz 和7GHz 处,电流主要聚集在多边形缝隙边沿,C 形缝隙和矩形缝隙附近的电流很小;而在阻带谐振频率5.42GHz 和5.75GHz 处,电流分别集中在C 形缝隙和矩形缝隙上,多边形缝隙上的电流很小,造成天线输入阻抗异常,天线在这两频率点附近产生较大的衰减和阻抗失配,形成陷波.4 实验结果 基于图3(L 3=10.6mm ,L 4=2.5mm )给出的带组合陷波结构多边形缝隙天线的尺寸,我们制作了天线的2864 电 子 学 报2010年样品,并使用了AgilentN5230A (10MHz ～50GHz )矢量网络分析仪对天线进行了测量.天线仿真和测试的回波损耗如图7所示,从图中可以看出,天线在5.03GHz ～6.06GHz 频段的阻抗失配,在其余的UWB 通信频段具有良好的阻抗匹配,表明天线在5GHz ～6GHz 频段内具有良好的滤波功能.天线回波损耗的测量结果和仿真结果基本吻合,两者存在的偏差主要是由同轴接头的焊接、天线尺寸的加工误差等因素造成的.各陷波结构的缝隙UWB 天线的电压驻波比如图8所示,从图中可见,组合陷波结构天线的阻带的陡度和带宽比单陷波结构的天线要大,由此可见本文提出的带组合陷波结构的缝隙天线比单陷波结构的U WB 天线具有更好的滤波特性. 图9给出了在3.5GHz 、6.5GHz 和9.5GHz 频率点上的E 面(x z 平面)和H 面(x y 平面)的辐射方向图.在H 面,天线辐射方向图不圆度最大仅为7.9dB ,具有比较好的全向性,可收发各个方向的信号;在E 面,天线方向图呈哑铃型,类似于偶极子天线的双向方向图.天线的增益如图10所示,天线在整个工作频段内具有比较平坦的增益特性,天线增益大约为3.5～5.6dBi .在5.4GHz 和5.7GHz 频率点附近,天线的增益显著下降至-4.5dBi 左右,抑制了WLAN 窄带系统的干扰.5 结论 本文提出了一种应用于超宽带系统的带组合陷波结构微带馈电多边形缝隙超宽带天线.通过引入组合陷波结构,阻带的陡度和带宽更大,使天线在5GHz ～6GHz 频段内具有良好的陷波特性,有效地抑制了WLAN 窄带系统对超宽带系统的干扰.该天线的结构简单、制造容易,成本低,而且这种天线具有较小的体积和较低的剖面尺寸,有利于实现与前端电路的集成化设计.同时该天线具有比较好的辐射方向特性,是一种性能较好、具有实用价值、能广泛应用于超宽带系统中的超宽带天线.参考文献:[1]Federal Communications Commission .First report and order[B /OL ].http :∥hraunfo ss .fcc .gov /edocs -public /attach -match /FCC -05-153A 1.pdf ,2005-09-23.[2]刘培国,刘克成,等.一种新型超宽带平面天线的FDT D分析[J ].电子学报,2000,28(6):86-88.LIU Pei -guo LIU Ke -cheng ,et al .FDT D analysis of an ultra -wide band planar antenna [J ].Acta Electronica Sinica ,2000,28(6):86-88.(in Chinese )[3]张文梅,陈雪,等.平面超宽带天线的设计与研究[J ].电波科学学报,2008,23(2):335-339.ZHANG Wen -mei ,CHEN Xue ,et al .Desig n of planar UWB antennas [J ].Chinese Journal of Radio Science ,2008,23(2):335-339.(in Chinese )[4]程勇,吕文俊,等.一种小型平面超宽带天线的设计与研究[J ].电波科学学报,2006,21(4):582-585.CHENG Yo ng ,L Wen -jun ,et al .Design and analy sis of a compact planar ultra -wideband antenna [J ].Chinese Jou rnal of Radio 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关键词 ： 宽带天 线 ； 面天 线 ； 超 平 组合 陷波结构 ； 回波损 耗 ； 线局域 网 无
中 图分 类号 ：Ｎ ２ Ｔ ８２ 文献 标 志码 ： Ａ ｄｉ１ ．９９ ｊｉ ｎ １０ —８３ ．０２ ０ ．２ ｏ：０ ３６ ／ ． ｓ ．０ １ ９ ｘ ２ １ ．５ ０ ７ ｓ
显然分叉型辐射单元的尺寸远比波长小其辐射机理类cwf1lf1rl和主要影响的高频部分而对低频部分似于一个贴片辐射元在面的辐射是均匀的而wlrlhf1f1随着频率的增加叉形辐射元的尺寸与波长相差不影响很小这说明天线在频段内的高频率部uwb大叉形辐射元中两个方向的枝节构成的阵因分辐射主要是由叉型结构产生的
Ａｂ ｔａ ｔ Ａ ｃｍｐ ｃ ｌ ａ—ｗ ｄ ｂ ｎ （ ＷＢ）ｐａ ａ ｎｅ ｎ ｒｓｎｅ ．Ｔ ｅａ ｔｎ ａｉ ｅｃｅ ｎ ａｐｅｅｏ ｓｒ ｃ ： ｏ ａｔｕｔ ｒ ｉｅ ａ ｄ Ｕ ｌｎｒａｔｎ ａｉ ｐｅ ｅ ｔｄ ｈ ｅ ｔｈ ｄｏ ｉｃ ｆ Ｓ ｎ Ｓ
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一
种采用组合陷波结构的新型超宽带平面天线
曾文波 ， 赵 嘉， 吴其琦
（ 广西工学 院 电子信息与控制工程 系， 西 柳州 ５５０ ） 广 ４０ ６
摘
要： 首先提 出了一种 小型平 面超 宽带 天线 的设 计 。天线 采 用 Ｆ ４印刷 电路 板 制 作 ， Ｒ 由共 面的 叉
形 辐射单 元和 多边 形缝 隙构成 ， 整体 尺寸 为３ Ｘ２ ｒ Ｘ０ ８ｌ 。采 用 Ｈ ０Ｉ ８ｒｎ ． ｍ ｎ 砌 Ｓ软 件 对天 线进 行 了
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（ ｌ ｔ ｎ ｎ ｒ ａｉ Ｅｅ ｒ ｉ Ｉ ｏ ｔｎ＆ Ｃ ｎ ｌｎ ｅａ ｅｔＧ ａ ｇｉ ｎ ｅ ｉ ｆ ｅｈ ｏ ｇ ，ｉ ｈｕ５５ ０ ， ｈｎ ） ｃｏ ｃ ｆｍ ｏ ｏｔ ｌ ｇＤ ｐｍｎｎ， ｕｎｘ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｏ ｃｎｌ ｙ Ｌｕ ｏ ４ ０ ６ Ｃ ｉ ｏ ｒｉ ｖ ｓｙ Ｔ ｏ ｚ ａ
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优化设计和参数分析 。然后 ， 通过在叉形辐射单元增加微带开路枝节并且在地板 开一对倒 Ｌ形细裂
缝 的 办法 ， 设计 了组合 陷波结 构的超 宽 带天 线。． 表 明 ： 实验 组合 陷波 结构 天 线在 ５ １ ． Ｈ 阻带 ． —５９Ｇ ｚ 内， 回波损耗 的最 大值达 一１５ｄ 与常规 的单 陷波 结构超 宽 带平 面天 线相 比较 ， 回波损 耗 频率 曲 ． Ｂ， 其 线更 为陡峭 ， 而能更有 效地提 高超 宽 带通信 系统抑 制 无线局 域 网设 备 所带 来干扰 的能 力 。 从
第５ ２卷 第 ５ 期 ２１年 Leabharlann ０２ 月电 讯 技 术
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文章编 号 ：０ １ ９ Ｘ ２ １ ）５ ７ ５— ６ １０ —８ ３ （０ ２ ０ —０ ３ ０
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