一种新型陷波特性超宽带天线设计
可控带宽的陷波超宽带天线研究
可控带宽的陷波超宽带天线研究随着无线通信技术的飞速发展，超宽带（UWB）天线因其宽带特性及高传输速率而受到广泛。
然而，随着频谱资源的日益紧张，UWB天线在某些特定频段可能受到陷波效应的限制。
因此，研究可控带宽的陷波超宽带天线具有重要的实际应用价值。
当前，可控带宽的陷波超宽带天线的研究还处于不断发展的阶段。
已经有一些研究小组在此领域取得了显著的成果。
例如，美国加州大学洛杉矶分校的研究团队设计了一种基于互补偶极子的UWB天线，该天线具有宽频带和低辐射特性，被广泛应用于短距离无线通信系统。
然而，仍存在一些挑战和问题，如如何实现天线的全面覆盖，如何提高天线的辐射效率等。
针对这些问题，本文提出了一种新型的可控带宽的陷波超宽带天线技术方案。
我们通过对天线的基本参数进行理论分析，优化了天线的几何结构和材料选择。
我们通过实验设计，实现了天线的精确制作和测试。
这种技术方案不仅提高了天线的带宽和控制性能，还有效降低了天线的辐射损耗。
在研究过程中，我们采用了仿真分析和实际测量相结合的方法。
通过电磁仿真软件对天线进行建模和仿真分析，以获得天线的频率响应和辐射性能。
然后，通过实际测量对比仿真结果，进一步优化天线的结构和参数。
通过上述研究，我们成功地设计出了一种新型的可控带宽的陷波超宽带天线。
该天线具有宽带宽、低辐射损耗和高定向性等特点，可广泛应用于无线通信、雷达、导航等领域。
特别是，该天线的可控带宽特性使其能够在特定频段实现良好的陷波效果，从而有效避免干扰和冲突。
展望未来，可控带宽的陷波超宽带天线的研究将面临更多挑战和机遇。
随着无线通信技术的发展，我们需要进一步优化天线的性能，提高其覆盖范围和稳定性。
我们还需要研究天线与其他无线设备的兼容性和集成方法，以实现整个系统的优化和协同工作。
另外，我们应国际和国内关于超宽带天线的标准和法规，以便在符合法律和道德要求的前提下开展相关研究工作。
并且，我们应积极寻求与其他学科的合作与交流，如材料科学、微电子学等，以引入新的技术和方法，推动可控带宽的陷波超宽带天线的研究与发展。
具有陷波特性的超宽带印刷天线设计概要
具有陷波特性的超宽带印刷天线设计摘要:设计一种具有陷波特性的超宽带印刷天线,天线采用圆形金属贴片作为辐射单元,采用微带线进行馈电,通过在贴片上开四个对称T形槽来实现陷波功能。
利用仿真软件HFSS 10.0对其进行计算,对天线的阻抗特性、方向图和增益进行了研究。
运算结果表明,该天线在2.26~4.94 GHz和6~11.68 GHz的工作频带范围内电压驻波比(VSWR)小于2;在4.94~6 GHz的阻带范围内具有良好的陷波特性;在阻带中心频率(5.48 GHz)处,电压驻波比高达40。
关键词:超宽带天线; 陷波特性; 印刷天线; 辐射单元中图分类号:TN821文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)08-0127-03Design of Ultra-wideband Printed Antenna with Band-Notched CharacteristicZHOU Feng, QIAN Zu-ping, PENG Chuan(Institute of Communication Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)Abstract:A ultra-wideband (UWB) printed antenna with notching characteristic is proposed. A circle metal patch fed by a microstrip is taken as a radiation element . The band-notched function is realized by cutting four symmetrical T-shaped slots in the patch. It was studied experimentally for its impedance bandwidth, radiation patterns and gain by using HFSS software. Simulation results showthat within the operation band-width of 2.26 GHz~4.9 GHz and 6.2GHz~11.68 GHz, the voltage stand wave ratio(VSWR) is lower than 2; within the stop band of 4.9 GHz~6.2 GHz it has a good notching characteristic; and at the center frequency(5.48 GHz) of the stop band, the VSWR is up to 40.Keywords:ultra-wideband antenna; band-notched characteqistic; printed antenna;radiation element0 引言超宽带(UWB)天线在无线通信、无线接入、电子对抗等系统中都有着广泛的应用。
一种新型超宽带双陷波平面单极子贴片天线设计
图 7摇 7 GHz 和 10 GHz 的 E 面和 H 面方向图 Fig. 7 E-plane and H-plane pattern at 7 GHz and 10 GHz
1摇 引摇 言
随着无线通信技术的迅猛发展,信息通信所要 求的带宽逐 渐 增 加, 超 宽 带 通 信 成 为 研 究 的 热 点。 美国通信委员会于 2002 年将 3. 11 ~ 10. 16 GHz 频 段作为 超 宽 通 信 使 用, 但 由 于 频 率 覆 盖 的 范 围 与 5. 15 ~ 5. 825 GHz 的无线局域网 ( WLAN) 和3. 4 ~ 3. 6 GHz的全球微波无线互联网络( WMAX) 频段的 干扰不可避免,解决这种干扰最简单方法是在天线
移 Zr
抑
n k=1
Rk(1
-
j棕Rk Lk 棕2 LkCk)
+
j棕Lk
(2)
当传输线特性阻抗 Z0 满足宽频内各谐波产生
的等效输入阻抗 Zr 匹配要求时,天线辐射在超宽带
范围内,这时天线辐射面电流主要分布于天线四周
和与地板临近的区域,图 3 为 8 GHz 谐波电流分布。
但当输入频率为陷波中心频率 3. 5 GHz 时,其对应
2摇 天线模型构建
2. 1摇 天线结构 本设计天线采用平面 贴 片 微 带 馈 电 设 计, 经
Ansoft HFSS v12 软件优化后的天线结构尺寸如图 1 所示。 天 线 制 作 在 长 宽 高 为 33 mm 伊 26 mm 伊 0. 74 mm、介电常数为 2. 2 的聚四氟乙烯环氧树脂 基板上。 介质板正面是椭圆和矩形组成的酒杯贴 片,在椭圆贴片的底部开有三对对称缝隙,其间距为 0. 5 mm, 缝 宽 为 0. 5 mm, 长 度 分 别 为 2. 56 mm、 2. 15 mm、1. 39 mm,目的是增加天线电长度,满足超 宽带天线频段要求和天线尺寸减小目的。 背面是被 切角的矩形接地板,切角目的是调整输入阻抗带宽。 天线采用特性阻抗为 50 赘 的微带线馈电。
一种超宽带双陷波可穿戴天线设计
一种超宽带双陷波可穿戴天线设计
李林;刘洪庆;李荣强
【期刊名称】《电子元件与材料》
【年(卷),期】2024(43)3
【摘要】基于牛仔布柔性材料,设计了一种小型化双陷波超宽带可穿戴天线。
天线由牛仔布料基板、开槽单极子辐射贴片和缺陷地平面构成,具有超宽带特性,能覆盖3.1~10.6GHz的超宽带频段范围。
通过在天线接地板刻蚀两条新型蜿蜒形槽和在单极子辐射贴片上添加对称枝节以实现双陷波特性。
该天线结构紧凑,尺寸仅为
24mm×28mm×0.84mm。
仿真的-10dB天线工作带宽为143.7%(2.95~18GHz),并且天线在3.24~3.87GHz和5.11~5.91GHz频段内具有双陷波特性,能有效抑制全球微波互联接入系统(WiMAX)和无线局域网(WLAN)频段的干扰。
此外,对天线的可弯曲性、辐射性能以及人体安全性能进行了分析。
测试与仿真结果基本一致,表明该天线可用于可穿戴系统中。
【总页数】7页(P353-358)
【作者】李林;刘洪庆;李荣强
【作者单位】成都信息工程大学电子工程学院;中国电子科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TN82
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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 Science ,2006,21(4):582-585.(in Chinese )2865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[5]Z A Zheng,Q X Chu.CPW-fed ultr a-wideband antenna withcompact size[J].Electron Lett,2009,45(12):593-594. 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一种具有三陷波特性的超宽带印刷天线设计
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ａ ＵＷ Ｂ Ｐｒ ｉ ｎｔ ｅ ｄ Ａｎｔ ｅ ｎ ｎａ ｗｉ ｔ ｈ Ｔｒ ｉ ｐ ｌ ｅ － Ｂａ ｎｄ Ｎｏ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ Ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ
ＹＵ ＡＮ Ｇｅ ｎ ｇ ， － ，Ｌ Ｉ Ｎ Ｊ ｉ ａ ｙ ａ ｎ ｇ ，Ｌ Ｉ Ｂ ｏ
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８ ． ４ ＧＨｚ ｏｒ ｆ ｄ ｏ ｗｎ ｌ ｉ ｎ ｋ ｏ ｆ Ｘ． ｂ ａ ｎ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｎ ｏ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｓ ｕ ｂ ｂ ａ ｎ ｄ ｓ ａ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｅ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｓ ｌ ｉ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ Ｕ— ｓ ｈ ａ ｐｅ ｄ ｓ ｌ ｏ ｔ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ — ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｔ ｃ ｈ． Ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ｗａ ｓ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｓ ｓ ｆ ｕ ｌ ｌ ｙ ｆ ａ ｂ ｒ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ， ｓ ｈ ｏ ｗｉ ｎ ｇ ｂ ｒ ｏ ａ ｄ ｂ ａ ｎ ｄ ｍａ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｉ ｍｐ ｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ
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具有带陷功能的超宽带微带天线设计(全文)
具有带陷功能的超宽带微带天线设计(全文)引言UWB天线与传统的窄带天线相比有很多新的特点。
信号源产生一定形状的短脉冲并将其馈入超宽带天线，天线要将脉冲信号无失真地辐射出去，因为频域内任何一个频点的失真都会使得接收到的信号脉冲产生不同程度的失真。
所以，UWB天线的特征有别于一般的微带天线。
此外，FCC规定民用UWB的-10dB带宽范围为3.1~10.6GHz，在此频段内天线的增益、波瓣方向图、驻波比等参数应在允许的波动范围内。
对于UWB天线的设计，虽然与普通的微带天线的设计方法有所不通过，但是宽带化和小型化的理论是通用的。
文献[3-4]通过将贴片单元集成天线阵列，从而达到拓展带宽的目的，但是很显然，阵列结构会占据很大的空间，对于高要求的终端设备这种设计达不到要求。
由于UWB天线的超宽带特性，为了避免与传统窄带间的干扰，故而又产生了一些特殊的带陷要求。
近年来，人们试图从时域、频域、空间编码等各个方面寻求方法来以解决它们之间的干扰问题。
具体来讲，所采取的主要措施有脉冲波形设计、平滑PSD、窄带干扰抑制算法等。
但是这些方法，大都是通过设计脉冲波形或者接收机装置来回避UWB与其它窄带通信的干扰，这样的方案最终实现起来是比较复杂的。
另外一种常用并且比较简单的方法是采用陷波设计，如文献[5]就采用这种方法设计了一种蝶形天线。
但是这种方案会给系统造成额外的开销，因此对于小系统来讲也不是最理想的。
最直接的方法就是在超宽带天线上增添附加的结构直接实现带陷功能。
本文将应用这种方法设计认知无线电射频前端的超宽带天线。
所以，本文设计的天线既实现了宽带和带陷的功能，而且还满足了人们对新型天线的平面化，小型化，且易于加工的要求。
下面我们以平面单极天线为基础来设计所需的天线。
UWB天线的设计平面单极天线的大小主要是由频带低端值决定的，对于规则平面辐射言，要求驻波比不大于2且可以通过简单的圆柱体模型计算天线能够达到的最低频点。
如图1所示，将圆柱体沿母线切开，可得到其实，这个表达式只是一个天线模型的原始理论表达式，天线的最终结构尺寸还要根据所设计的具体结构参数来调整，并加以优化。
一种陷波超宽带MIMO天线设计
一种陷波超宽带MIMO天线设计邓永云;代喜望;罗国清【摘要】提出了一款紧凑型陷波超宽带多输入多输出(ultra wideband multiple-input multiple-output,UWB-MIMO)天线,天线印制在FR4基板上,由两个相同的天线单元正交放置组成,尺寸是46 mm×46 mm×0.8 mm.天线单元由阶梯矩形组成,采用微带线馈电,在天线单元上蚀刻矩形开口谐振环,实现了陷波的功能,解决了无线局域网WLAN(5.15～5.85 GHz)的电磁干扰问题.通过在介质基板接地层的对称轴增加隔离枝节,使端口隔离度由-12 dB提高至-16 dB.实测结果表明:该天线的工作带宽为2.95～11.2 GHz,峰值增益是6.43 dBi,最大辐射效率可以达到97.96％,包络相关系数(envelope correlation coefficient,ECC)低于0.02.结果表明所提出的带有滤波功能的天线是一种有实际应用价值的紧凑型陷波UWB-MIMO天线.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2018(033)004【总页数】5页(P436-440)【关键词】超宽带;MIMO;陷波;天线;紧凑型【作者】邓永云;代喜望;罗国清【作者单位】杭州电子科技大学,杭州310018;杭州电子科技大学,杭州310018;杭州电子科技大学,杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TN822+.8引言近年来,随着无线通信技术的快速发展,人们对信道容量及可靠性的需求也日益增长. 随着物联网的发展和智能家居在生活中的普及,超宽带系统因为具有频谱资源丰富、传输速率快和保密性强、功耗低等优点,成为当今研究的热点之一[1]. 然而超宽带系统的辐射功率相对较低,使其很难实现远距离传输. 将UWB技术与MIMO 技术结合,利用MIMO技术的抗多径衰落能力,实现多条路径同时传输,就可以在不增加天线辐射功率的前提下,显著提升 UWB 系统的传输距离,而且UWB-MIMO 系统的低辐射功率也符合“绿色通信”的理念[2]. 在实际应用中,由于UWB频带范围内包含了很多窄带通信,如 WiMAX(3.3 ～3.8 GHz)、WLAN(5.15 ～5.85 GHz)等,为了实现窄带系统与UWB系统之间的电磁兼容,UWB系统中往往需要添加窄带滤波器,而陷波功能可以在一定程度上替代滤波器的作用. 因此,带有滤波特性的 UWB-MIMO天线应运而生[3-4]. 其中陷波特性功能的实现方法主要为在辐射单元或地面上刻蚀形式不同的谐振槽[5-6],或者在辐射单元或馈线附近添加寄生抑制单元或谐振器[7-8]. 而超宽带特性的实现技术包括采用阶梯结构或者分形结构的辐射单元[9-10],或者在接地面设置缝隙结构[11]. MIMO天线的性能优劣取决于接收到的信号是否具有低相关性. 因此,设计的MIMO天线必须具有高隔离度. 常用的提高MIMO天线端口隔离度的方法是使用电磁带隙结构[12],但是,电磁带隙结构占用面积大,并且增加了天线的复杂度. 而有缺陷的接地结构有时也被用作去耦结构来增加天线单元之间的隔离度[13]. 为了保证MIMO系统的工作性能,MIMO系统应在整个工作频带内其天线单元间的隔离度小于-15 dB.1 天线的设计图1和图2分别是天线的结构示意图和实物加工图,天线单元是微带单极子天线结构,制作在FR4介质基板上,介质的相对介电常数为4.4,介质损耗正切角是0.02,体积为46 mm×46 mm×0.8 mm. 两个天线单元正交放置,以此来获得两正交分布的方向图. 并且通过在两天线单元对称轴上加载一段矩形枝节,使端口间的隔离度获得明显提升.为了产生WLAN的陷波,在阶梯矩形辐射贴片上添加一个矩形开口槽. 而槽的长度可由下式估算:(1)式中:L表示开口槽的长度;c表示光速;f0为阻带所对应的中心频率;εr和εeff分别是介质板的相对介电常数和有效介电常数. 通过式(1)计算在中心频率为5.5 GHz 时,矩形开口槽的长度大约为17 mm,通过电磁仿真软件HFSS V15.0进行优化,得到当矩形开口环的长度为L=17.4 mm时,阻带特性最好,可以完整地覆盖WLAN频段.(a) 正面 (b) 背面(a) Front (b) Back图1 超宽带MIMO天线结构图Fig.1 Schematic of the proposed ultra wideband MIMO antenna(a) 正面 (b) 背面(a) Front (b) Back图2 超宽带MIMO天线实物图Fig.2 Prototype of the ultra wideband MIMO antenna2 参数分析2.1 阻抗特性分析该天线的S参数如图3和4所示. 仿真结果显示在3.1 ～10.86 GHz频带内,除了4.90～5.93 GHz 的陷波频段,S11均小于-10 dB,这表明天线满足阻抗要求,实测结果和仿真结果基本一样,陷波带宽为5.15～6.0 GHz,工作带宽为2.95～11.2 GHz. 此外,为了提高两天线单元端口之间的隔离度,在两天线单元接地面的对称轴上添加了一段矩形枝节,添加的矩形枝节改变了电流路径,减小了两天线单元端口间的耦合电流,图3中的仿真结果显示,隔离枝节将天线单元端口间的隔离度由-12 dB提高至-16 dB,图4中的实测结果显示,天线在工作频段内的隔离度都在-20 dB以下.图3 有无矩形枝节时仿真的S参数Fig.3 The simulated S parameters with or without rectangle stub图4 有矩形枝节时测试的S参数Fig.4 The measured S parameters with rectangle stub2.2 辐射特性分析图5是天线在3.5、7、9 GHz频率下的实测归一化远场方向图. 由于天线是正交对称放置,端口1和端口2的方向图大致沿对称轴相互对称. 因此,我们可以只研究端口1. 由图5可以看出:在低频段,端口1在H面基本呈现出全向性,在E面大致呈现出类单极子的“8”字形;随着频率的增加,天线的波长减小不再远大于天线的尺寸,天线不再具有电小天线的特性,因此,天线的辐射方向图发生变化,不再呈现出类单极子天线的辐射方向图.图6是天线的最大增益和辐射效率随频率变化的结果,在工作频带内,天线的最大增益大致为2～6 dBi,在陷波频段中,天线的增益骤降至-5.5 dBi左右,有效地解决了超宽带与WLAN之间的电磁兼容问题. 从图中可以看到该天线通带频带内具有较高的辐射效率,辐射效率都大于90%,在WLAN频带内,天线的辐射效率骤降至30%左右.(a) xoz面(a) xoz plane(b) xoy面(b) xoy plane(c) yoz面(c) yoz plane图5 辐射方向图Fig.5 The radiation pattern图6 天线的峰值增益和辐射效率Fig.6 Peak gain and radiation efficiency of the antenna2.3 分集特性分析包络相关系数(envelope correlation coefficient, ECC)反应的是天线信号衰落能力. 由于路径的不同,天线接收到的信号衰落多少具有不确定性,通常情况下,要求天线的ECC小于0.2,该天线的仿真和实测ECC如图7所示,在工作频带内ECC总是小于0.1,满足设计要求.图7 天线单元之间的包络相关系数Fig.7 Envelope correlation coefficient between antenna elements3 结论本文设计了一款紧凑型单陷波UWB-MIMO天线,天线的通带和陷波频段分别覆盖了超宽带频段和WLAN频段,对称轴上添加的矩形枝节使天线单元间的隔离度提升到-20 dB以下,天线的峰值增益为6.43 dBi,ECC在工作频率范围内都小于0.1. 这表明所提出的带有滤波功能的UWB-MIMO天线是一种有实际应用价值的紧凑型陷波UWB-MIMO天线.参考文献【相关文献】[1] 张竞一. 紧凑型超宽带MIMO天线的设计与研究[D]. 成都:电子科技大学, 2016.ZHANG J Y. The design and research of compact UWB-MIMO antenna[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2016.(in Chinese)[2] 赵辉. UWB-MIMO天线研究[D]. 西安:西安电子科技大学, 2015.ZHAO H. Study on UWB-MIMO antennas[D]. Xi’an: Xidian University, 2015.(in Chinese) [3] ABDOLLAHAVAND M, DADASHZADEH G, MOSTAFA D. Compact dual band-notched printed monopole antenna for UWB application[J]. IEEE antenna and wireless propagation letters, 2010, 9(1): 1148-1151.[4] ZHOU Z L, LI L, HONG J S. Compact UWB printed monopole antenna with dual narrow band notches for WiMAX/WLAN bands[J]. Electronics letters, 2011, 47(20): 1111-1112. [5] CHU Q X, YANG Y Y. A compact ultra wideband antenna with 3.4/5.5GHz dual band-notched characteristics[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2008, 56(12): 3637-3644.[6] ZHANG Y, HONG W, YU C, et al. Planar ultra wideband antennas with multiple notched bands based on etched slots on the patch and/or split ring resonators on the feed line[J]. 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一种双陷波超宽频带天线设计研究
一种双陷波超宽频带天线设计研究摘要:超宽带数据无线通信传输技术被广泛认为已经是目前解决全球无线通信系统数据质量传输速率带宽瓶颈的一个有效解决方法,这是因为它在一个很宽的速率频带上可以传输数据,带宽从3.1-10.6GHz(7.5GHz)。
本文基于应用双陷波高速宽频带专用天线设计相关技术理论,对应用双陷波宽频带专用天线的基本设计技术要求及工作过程原理进行了深入探讨,为天线相关技术领域设计工作开展提供了理论指导。
关键词：带宽；双陷波超宽频带天线；设计；指导1 引言在整个现代化的超宽带无线通信技术系统中,超宽带无线通信系统天线控制技术不仅是重要的组成部分和核心技术也是研究应用领域中的热点。
超宽带速率无线通信系统网络中该系统的最高网络工作宽度速率网络频段几乎完全覆盖了其它的所有在超窄带速率无线通信系统网络中的系统工作速率频段,如3.3~3.6GHz的无线城域网(WiMax)无线频段和5.1~5.9GHz 的无线网络局域网(WLAN)无线频段。
这些射频通信天线系统的大量存在可能会对这些超宽带通信天线的特定工作频率产生一定的电磁干扰。
为了有效抑制这些陷波干扰,可以在目前超宽带天线的技术基础上进行引入一种新型陷波天线结构,使陷波天线技术成为一种具有降低频带陷波阻隔干扰效应的新型陷波宽带天线,因此双通道陷波宽带天线技术具有十分重要的技术研究应用价值。
2 超宽频带技术背景2.1 超宽频带的发展历史超宽带移动通信无线技术是它是一种很好的有发展潜力且切实可行的通信技术,对我国无线通信的进一步深入发展应用具有重要变革性的推动作用。
它的基本概念最早可以追溯到18世纪末期马可尼发明的新式火花炮在间隙使用脉冲发射无线电。
在此之后的几十几百年间,这个重要发明被广泛用来无线电波传输阿尔莫斯码。
窄带铁路通信网络系统本身具有各种易于控制和协调的强大特性,到了1924年,通信界基本抛弃了采用超宽带网络通信的传统技术而重新选择了采用窄带网络通信。
一种陷波超宽带MIMO天线设计
引 言
近 年来 ，随 着无线 通信 技术 的快 速 发展 ，人们 对
信道 容 量及可 靠性 的需 求也 日益增 长 ．随着 物 联 网 的发 展 和智能 家居 在 生 活 中的 普及 ，超 宽 带 系统 因 为具 有频 谱 资源 丰富 、传输 速率 快和保 密性 强 、功耗
第 ３３卷 第 ４期
２０１８年ห้องสมุดไป่ตู้８月
电 波 科 学 学 报
ＣＨ ＩＮＥＳＥ ＪＯ ＵＲＮ ＡＬ Ｏ Ｆ ＲＡ ＤＩＯ ＳＣＩＥＮＣＥ
Ｖ ｏ１．３３，Ｎ Ｏ．４
Ａ ｕｇｕｓｔ．２０１８
邓 永 云 ，代 喜 望 ，罗 国清 ．一 种 陷 波超 宽 带 Ｍ ＩＭＯ 天 线 设 计 ［Ｊ］．电 波 科 学 学 报 ，２０１８，３３（４）：４３６—４４０．ＤＯＩ：１０．１３４４３／ｊ．ｃｊｏｒｓ．２０１８０４３００８ ＤＥＮＧ Ｙ Ｙ，ＤＡＩ Ｘ Ｗ ，ＬＵＯ Ｇ Ｑ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｃｏｍｐａｃｔ ｕｌｔｒａ ｗｉｄｅｂａｎｄ ＭＩＭＯ ａｎｔｅｎｎａ ｗｉｔｈ ＷＬＡＮ ｂａｎｄ—ｒｅｊｅｃｔｅｄ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｒａｄｉｏ ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１８，３３（４）：４３６—４４０． （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）． ＤＯＩ：１０．１３４４３／ｊ．ｃｊｏｒｓ．２０１８０４３００８
隔 离枝 节 ，使 端 口隔 离度 由一１２ ｄＢ提 高至一１６ ｄＢ．实测 结果表 明 ：该天 线 的工作 带宽 为 ２．９５～１１．２ ＧＨｚ，
峰 值增 益 是 ６．４３ ｄＢｉ，最 大 辐 射 效 率 可 以达 到 ９７．９６ ，包络 相 关 系数 （ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，
新型六陷波超宽带天线的设计
新型六陷波超宽带天线的设计刘汉;尹成友;范启蒙【摘要】设计了一种新型的六陷波超宽带天线.通过在辐射贴片上添加一个T形谐振枝节、一个弯枝节,开一个U形槽,馈线附近引入C形枝节、反C形枝节和在地板上开一对对称的L形槽,实现了六陷波特性,有效地抑制了窄带系统和超宽带系统之间的相互干扰.研究了所加入结构对天线陷波特性的影响,通过天线表面电流分布和等效电路解释了陷波的原理,最后将天线加工成实物.实测的驻波比、方向图和增益与仿真结果基本吻合,证明了设计方法的正确性.所设计的天线性能优良,六陷波特性大大提高了天线的应用范围.【期刊名称】《通信学报》【年(卷),期】2016(037)012【总页数】9页(P115-123)【关键词】超宽带天线;陷波特性;枝节;槽【作者】刘汉;尹成友;范启蒙【作者单位】西安通信学院信息传输系,陕西西安710106;电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽合肥230037;电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽合肥230037【正文语种】中文【中图分类】TN823随着FCC划定超宽带的民用频段[1]，平面超宽带天线的设计[2]成为了一个热门课题。
传统的微带天线[3]具有剖面低、尺寸小和结构简单等优点，但是它也有其固有的缺点：带宽窄，这极大地限制了微带天线的应用范围，无法适应于宽带系统。
很多学者[4～6]对展宽带宽进行了深入的研究，各种新技术也层出不穷，目前这一块的研究已经很成熟。
考虑到超宽带系统内包含有很多窄带系统，包括微波互联网WIMAX(2.3～2.4 GHz、2.5～2.69 GHz、 3.3～3.8 GHz)、无线局域网WLAN(2.4～2.484 GHz、5.15～5.825 GHz)、国际卫星波段(4.5～4.8 GHz)、卫星X波段(7.25～7.75 GHz)和国际电信联盟(ITU)波段(8.01～8.5 GHz)等，工作带宽重叠的系统必然会互相产生影响。