一种新型八边形可控双陷波天线的分析与设计

姜兆能, 李晓阳, 瞿 晨, 孙 芳, 阚运鹏

(1.合肥工业大学 信息工程系,安徽 宣城 242000; 2.东南大学 毫米波国家重点实验室,江苏 南京 210096)

一种新型八边形可控双陷波天线的分析与设计

姜兆能1,2, 李晓阳1, 瞿 晨1, 孙 芳1, 阚运鹏1

(1.合肥工业大学 信息工程系,安徽 宣城 242000; 2.东南大学 毫米波国家重点实验室,江苏 南京 210096)

文章提出了一种新型贴片八边形可控的双陷波天线,该天线采用了八边形贴片作为辐射单元,通过在微带馈线上嵌入型枝节谐振结构来形成陷波特性,从而限制某些频段的信号对超宽带通信系统的影响。通过调整枝节谐振结构的长度,可以改变陷波频段中心频点的位置,从而实现超宽带天线的陷波频段可调,为超宽带天线在不同频段进行陷波应用提供便利。

贴片天线;双陷波;谐振结构;可控;八边形

0 引 言

微带贴片天线[1-2]在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，它采用微带贴片作为辐射源,一般在100 MHz～100 GHz频率范围内,其馈电方式灵活,已广泛应用于各种无线电设备中。微带天线具有许多优点,比如占用空间较小,天线本身高度很低,容易与工作表面共形;由于微带天线采用了印刷电路板技术,天线加工成本低,方便大规模制造。因此,超宽带贴片天线成为学者们研究的热点。同时,为了避免如WiMax 和WLAN 等窄带通信系统对超宽带通信系统的影响,对某些频段的陷波特性研究也是目前的热点话题。陷波特性根据美国联邦通信委员会(FCC)在2002年规定的超宽带通信频段为3.1～10.6 GHz,传统的陷波频段范围在3.4～3.36 GHz和5.15～5.825 GHz。随着日前通信设备水平的不断提高,人们所需不同波段的陷波要求越来越多。因此,尽可能地实现陷波频段可控显得越来越重要。目前常见的实现陷波特性的结构有采用宽槽结构[3-4]、类SRR结构[5-7]、在贴片上加谐振结构[8]、在辐射结构上增加缝隙结构[9]等。这类解决方法简单、成本低廉、操作容易,因此具有重要的研究价值。

本文研究了一种新型贴片八边形可控双陷波天线,采用八边形贴片作为辐射单元。通过增加嵌入型枝节开路槽谐振结构来实现双陷波特性；通过改变槽的长度来改变陷波频段中心频点的位置，从而可以实现陷波频段可控。

1 八边形天线的结构

超宽带八边形天线的结构如图1所示,天线的辐射单元由八边形单极子结构构成,采用了矩形加1/4圆切角的接地板,馈电线到辐射单元采用矩形长条结构,天线采用50 Ω同轴转接头馈电。该超宽带天线的设计思路参考文献[10],通过这样的设计可以使得天线的带宽非常宽。介质板选用厚度为2 mm的FR4环氧树脂(FR4-expoxy)板,介电常数εr=4.4,贴片都采用理想导体贴片。在八边形的中心加载开口圆环槽用于改善天线的带宽。根据HFSS软件仿真的八边形天线结构的驻波图如图2所示,由图2可以看出,天线的驻波比(VSWR)在2～14 GHz频段内小于2,相对带宽达到150%。天线的具体尺寸见表1所列。

图1 八边形天线结构

图2 八边形天线结构的驻波图

表1 天线尺寸 m

2 仿真结果分析

2.1 陷波频段中心频点的位置可控分析

在微带馈电线上嵌入一个开路槽谐振器,如图3所示,超宽带天线具备了陷波特性,从而能避免来自WiMax以及WLAN系统的信号干扰。开路槽谐振器的尺寸见表2所列。经过对开路槽谐振结构长度的调整,改变陷波频段中心频点的位置,可以实现不同频段系统信号的限制。陷波频段的中心频率随谐振结构长度的变化如图4所示,改变谐振器长度L6的大小,单波的中心频率会随着长度的变化而移动,从而达到陷波频段可控的效果。

图3 单陷波天线和开路槽谐振器结构

表2 单陷波天线的开路槽谐振器结构尺寸 mm

图4 陷波频段的中心频率随谐振结构长度的变化

2.2 双陷波特性的情况分析

在天线的工作频带内,很可能会受到多个信号的干扰,这就要求天线具有多个陷波的功能。本文给出了天线带宽内2个陷波的情况。通过对图3中谐振结构添加1个支节,如图5所示,从而得到双陷波的特性。开路槽谐振器的尺寸见表3所列。双陷波天线的驻波值如图6所示,驻波比在3.7～4.2 GHz 和7.7～8.5 GHz 2个频段内明显大于3,阻止了信号通过,可以看出很好地限制了2个频段内的信号干扰。

图5 添加1个支节的双陷波天线结构和开路槽谐振器结构

表3 双陷波天线的开路槽谐振器结构尺寸 mm

图6 双陷波天线的驻波值

2.3 天线的增益图

天线的增益随频率变化的曲线如图7所示。

图7 天线的增益随频率变化的曲线

从图7中可以看出,天线在3.7～4.2 GHz 和7.7～8.5 GHz 2个频段内的峰值增益出现了陡降现象,这一现象更进一步证明所设计天线对于以上2个频段的电磁波具有良好的带阻陷波效果,降低了对其电磁波的辐射能力,而在超宽带通信系统工作的其他频段内,则具有2.8 dB以上的稳定的辐射增益。

3 结 论

本文提出一种具有陷波可控的超宽带八边形天线,通过添加开路槽谐振结构来实现陷波特性。经过对槽谐振结构尺寸的调整,改变陷波频段中心频点的位置,可以满足不同频段系统信号的限制要求。通过仿真结果可以看出,该天线除了具有良好的陷波特性外,在辐射方向性上也表现出色。根据本文的方法,可以实现3个及更多频段陷波,整个陷波过程对天线的整体尺寸不影响,因此具有一定的研究意义。

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(责任编辑 张 镅)

Analysis and design of a new type of eight-edge shaped antenna with controllable double notches

JIANG Zhaoneng1,2, LI Xiaoyang1, QU Chen1, SUN Fang1, KAN Yunpeng1

(1.Dept. of Information Engineering， Hefei University of Technology， Xuancheng 242000， China; 2.State Key Laboratory of Millimeter Waves， Southeast University, Nanjing 210096， China)

A new type of eight-edge shaped controllable double notch antenna is proposed. The antenna adopts eight-edge shaped patch as the radiation element， affecting the signal by embedding type side resonant structure in microstrip feeder to limit certain frequency band of ultra wideband communication systems. By adjusting the side length of the resonant structure， the center frequency band notch position can be changed. Thus the controllable notch frequency band of the ultra wideband antenna can be realized， providing convenience for the ultra wideband antenna in different frequency bands.

patch antenna; double notches; resonant structure; controllable; eight-edge

2015-12-17;

2016-02-23

国家自然科学基金资助项目(61501159);安徽省自然科学基金资助项目(1608085MF124)和毫米波国家重点实验室开放课题资助项目(K201602)

姜兆能(1985-),男,江苏灌南人,博士，合肥工业大学讲师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.013

TN828

A

1003-5060(2017)08-1074-03