具有带阻特性的新型超宽带天线研究*

胡少文,吴毅强,张　云,张平平,周辉林

(南昌大学电子信息工程系,南昌 330031)



具有带阻特性的新型超宽带天线研究*

胡少文,吴毅强*,张云,张平平,周辉林

(南昌大学电子信息工程系,南昌 330031)

摘要:据短距离无线电通信系统对超宽带天线的要求,提出了一种新型的具有带阻特性的印刷超宽带天线。采用在辐射贴片传输线旁边加上2个U形寄生单元来实现天线的带阻特性,天线的辐射贴片与接地板具有一致的结构,使得天线的辐射方向图与偶极子天线非常类似。对U形寄生单元的各个参数对带阻性能的影响进行了研究,仿真结果表明可以方便的通过改变寄生单元的尺寸和位置来改变阻带的位置和宽度。可实现天线频带宽度(S11≤-10 dB)3.5 GHz～14.6 GHz,相对带宽达123%,并实现了4.9 Ghz～6.1 GHz的阻带特性,实验结果表明该天线适用于超宽带系统的应用。

关键词:超宽带;U形寄生单元;带阻功能;微带馈电

2002年,美国联邦通信委员会FCC(Federal Communications Commission)批准了3.1 GHz～10.6 GHz频段运用于商业通信后,UWB(超宽带)无线通信技术受到了越来越多的关注。作为UWB系统关键技术之一的超宽带天线,其性能的优劣直接决定着UWB通信质量。因此设计一种结构简单、性能良好的满足短距离无线通信要求的超宽带天线具有重大的现实意义。现在已经提出了许多不同的天线来覆盖整个的UWB频段[1-2],但是这个频段中有很多已经存在的无线通信系统,例如无线局域网(WLAN)窄带系统,其工作频段为5.15 GHz～5.825 GHz。为了防止来自已用频谱的干扰,需要对这些频段进行隔离,这就要求设计具有带阻功能的超宽带天线。已经有许多的文献中提到了可以实现带阻特性的各种不同方法,例如在天线上开各种不同的缝[3-8],使用调谐支线[9-10]等。本文提出了一种在辐射贴片传输线两旁加入2个U形寄生单元结构的UWB天线,覆盖了整个UWB频段,并有效地抑制了5.15 GHz～5.825 GHz的WLAN频段,同时在整个工作频带内具有良好辐射方向图。

1　天线结构设计

该天线的介质板材料为Rogers RT/duroid 4003,相对介电常数为3.38,损耗正切为0.002 7,厚度为0.8 mm。图1给出了天线的几何结构。详细研究了寄生单元的各个参数对实现带阻功能的影响,得出了最佳的参数选择,总尺寸为26 mm×32 mm×0.8 mm。

图1　天线结构

介质板的尺寸为W×L。该天线由2个矩形金属片组成的辐射贴片、梯形接地金属片和2个U型寄生单元组成,其中辐射贴片和接地的结构对实现天线的超宽频带性能非常重要。采用阻抗为50 Ω的微带线进行馈电,金属带宽度为W1,辐射贴片与接地板之间的间隔为0.8 mm。其实影响天线辐射性能的因素有好多,主要是由辐射贴片的尺寸和几何形状、接地的结构尺寸决定,在HFSS中建立模型,对天线几何尺寸进行优化。

表1　天线尺寸

2　天线的分析与仿真

首先对未加U型寄生单元的天线进行优化仿真发现地的结构改变可以起到加宽带宽的作用。如图2所示是对k1进行优化仿真,发现地的结构和尺寸改变可实现超宽带带宽(回波损耗S11≤-10 dB)为3.5 GHz～14.6 GHz,相对带宽为123%。

图2　k1对S11的影响

通过在辐射贴片传输线两旁加载U型寄生单元,可以达到阻带的作用。图3为未加载U型寄生单元和加载U型寄生单元的回波损耗图。

由图3可看出,通过在微带传输线两旁加载U型寄生条,可以起到阻带的效果。由于寄生单元与辐射贴片在阻带内的电流流向相反,使得两者相互抵消实现了阻带的功能。

图3　U型寄生条对S11的影响

为了得到天线结构中U形寄生单元对频率的影响,在仿真中改变U1,图4为U1变化时相应的天线阻带性能的变化。

图4　U1对阻带性能的影响

图5　天线的辐射方向图

该天线在实现超宽频带阻特性的同时,具有对称的方向图和良好的增益。图5(a)、5(b)所示为天线在2.0 GHz、5.0 GHz和10.0 GHz下的仿真辐射方向图。仿真增益如图7(c)所示,在3.5 GHz～14.6 GHz全频带内,最高增益达到4.12 dB,但是天线的增益在陷波频段内急剧减少,表明天线对WLAN频段有很好的抑制作用。

3　天线制作与实测结果

为了验证所设计的天线的实用性和有效性,利用HFSS对所设计的天线进行了综合优化,优化的尺寸如表1所示。根据优化后得到的尺寸,对该天线进行实际加工和测试,并利用HP8720B矢量网络分析仪及功率计对天线实物进行测试,实物图和测试的反射系数如图6所示,增益、辐射方向图如图7所示。

从图6可以看出,在3.5 GHz～14.6 GHz频段内,除了陷波频段(4.9 GHz～6.1 GHz)外,天线实测的回波损耗曲线基本处于-10 dB以下,实测值与仿真曲线稍有些偏差,主要是由加工误差所引起,此外SMA接头以及焊锡的散射效应也会对回波损耗产生影响。该天线基本上能够满足微波通信的要求。

从图7(a)和图7(b)可以看出,天线的实测辐射方向图在高频率点有些偏差,从图7(c)可以看出实测的增益与仿真的增益基本上吻合,实测值与仿真曲线有些偏差,主要是因为加工误差和测量误差所引起的。

图6　天线实物和实测回波损耗

图7　实测天线的辐射方向图和增益图

4　结论

在超宽带天线辐射贴片的传输线旁边加载U型寄生单元,改变了天线的电流分布,并可以通过对U型寄生单元尺寸的调节实现阻带范围的调节。本文提出的超宽带天线不但具有良好的阻抗特性和辐射特性,而且在4.9 GHz～6.1 GHz的频率范围内具有阻带特性,可以避免5 GHz无线局域网的干扰。仿真和实测结果表明此超宽带阻带天线具有实用价值。

参考文献:

[1]李栋,石鑫,夏丰.应用于超宽带通信的贴片六边形单极子天线研究[J].科学技术与工程,2009,9(4):878-882.

[2]Ling C W,Chung S.A Simple Printed Ultrawideband Antenna with a Quasi-Transmission Line Section[J].IEEE Trans Antennas Propag,2009,57(10):3333-3336.

[3]Farrokh-Heshmat N,Nourinia J,Ghobadi C.Band-Notched Ultra-Wideband Printed Open-Slot Antenna Using Variable On-Ground Slits[J].Electron Lett,2009,45(21):1060-1061.

[4]蔡云龙,冯正和.双F结构的超宽带印刷椭圆槽陷波天线[J].清华大学学报,2009,49(7):944-947.

[5]章伟,赵田野,鄢泽洪.3.1 GHz～17 GHz的带阻超宽带单极天线[J].电子科技,2010,23(1):65-67.

[6]Zhang Y,Hong W,Yu C,et al.Design and Implementation of Planar Ultra-Wideband Antennas with Multiple Notched Bands Based on Stepped Impedance Resonators[J].IET Microw.Antennas Propag,2009,3(7):1051-1059.

[7]孙彩锋,马重霄,刘红梅,等.X波段共面波导结构串馈天线的设计[J].无线电通信技术,2011,37(1):38-40.

[8]廖昆明,吴毅强,邓淼,等.超宽带单极子加载介质谐振器天线的设计[J].压电与声光,2012(3):408-410.

[9]Emadian Seyed Ramin,Ghobadi Changiz,Nourinia Javad,et al.Bandwidth Enhancement of CPW-Fed Circle-Like Slot Antenna with Dual Band-Notched Characteristic[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2012(11):543-546.

[10]Li W M,Ni T,Quan T,et al.A Compact CPW-FED UWB Antenna with Wimax-Band Notched Characteristics[J].Progress in Electromagnetics Research Letters,2011,26:79-85.

[11]张佳亮,雷振亚,谢拥军,等.共面波导馈电的宽带天线设计[J].电讯技术,2011,51(8):125-129.

[12]晏峰,姜兴,黄朝晖,等.共面波导馈电的带阻UWB天线设计[J].电子器件,2011,34(3):255-257.

[13]姜宇,肖鸿,刘兴鹏,等.共面波导宽频带微带缝隙天线的设计与分析[J].哈尔滨工程大学学报,2009,30(10):1180-1184.

[14]吴毅强,邓淼,廖昆明,等.共面波导馈电超宽带天线研究[J].电子元件与材料,2012(6):67-70.

[15]张莉,赵军军,王善进.手持RFID读写器微带天线的小型化设计[J].电子器件,2012(4):379-382.

[16]高健,曹卫平,李思敏.宽带平板天线的设计与仿真[J].电子器件,2011(1):112-114.

胡少文(1987-),男,江西南昌人,2011年获学士学位,现为硕士研究生,主要研究方向为射频微波技术与天线设计研究,hsw5055613@126.com;

吴毅强(1959-),男,江西上饶人,现任南昌大学电子系教授,硕士生导师,主要从事射频与微波技术及其应用的教学与研究,wyq555@126.com。

ANovelUltra-WideBandwithBandRejectionCharacterAnalysis*

HUShaowen,WUYingqiang*,ZHANGYun,ZHANGPingping,ZHOUHuilin

(Department of Electronic,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Abstract:A new printed UWB antenna with a band notched characteristics is proposed according to the requirement of short distance communication for UWB antenna.The band-stop characteristic is achieved by two U-shaped parasitic elements beside the feeding line of the radiation patch.The radiation patch and the ground are with the same structure and the radiation pattern of the proposed antenna is similar to the dipole antenna.A detailed parametric study of the U-shaped parasitic element is presented.Simulated results show that the size and the position of the parasitic element determine the center frequency and the bandwidth of the notched band.With the presented design,the bandwidth(return loss≤-10 dB)starts from 3.5 GHz up to 14.6 GHz that means a relative bandwidth of 123% with a notched band from 4.9 to 6.1 GHz.Measured results confirm that the proposed antenna is suitable for UWB applications.

Key words:Ultra-wideband(UWB);U-shaped parasitic element;band-notched function;micro-strip-feed

doi:EEACC:527010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.009

中图分类号:TN92

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0622-04

收稿日期:2013-08-28修改日期:2013-09-11

项目来源:国家自然科学基金资助项目(61062009);江西省交通运输厅科技基金资助项目(2010H0017)