一种简洁的三陷波超宽带天线设计

史道玲,朱益志,王 静

(1.安徽新华学院 电子通信工程学院,安徽 合肥 230088;2.南京泛微通讯技术有限公司,江苏 南京 211101)

0 引言

随着通信技术的发展,大容量、多连接数、高速度成为紧迫需求,因此超宽带(UWB)通信是一种很好的解决方案[1]。2002年,美国联邦通信委员会把3.1～10.6 GHz频段分配给超宽带通信使用,主要用于民用/军用通信、汽车雷达、成像、监控等领域[2]。然而,目前全球微波互联接入WiMax、大容量微波通信频段、无线局域网(WLAN)等无线领域应用也位于该频段中,所以在设计超宽带系统时需规避这类频段,这就要求天线具有某些频段的陷波特性。

陷波的实现形式有缝隙结构、寄生单元等,其原理是在天线上引入串联或者并联谐振结构,从而抑制谐振点的辐射或者将功率反射。通过设计缝隙长宽及位置,可以调整谐振频率和强度达到最佳陷波效果[3-5]。基于此,设计了一种超宽带陷波天线,在天线辐射贴片上引入开槽,抑制3.5 GHz频点辐射,在馈线上引入窄带耦合线,将5.0 GHz、7.5 GHz频点能量导通到地,实现了三陷波的特性。仿真测试结果表明,该天线尺寸20 mm×32 mm×0.5 mm,频带内驻波<2,实现有效阻隔,并在6.0 GHz上达到增益2.1 dBi。天线总体具有良好的辐射和匹配特性,适用于构建各种超宽带系统,结构简单、效果明显。

1 天线结构及分析

超宽带陷波天线的基片为0.5 mm厚的RO4350B材质,相对介电常数3.66,具体结构尺寸如图1所示。天线辐射贴片由一个半径8.7 mm的圆和一个17.4 mm×7.0 mm的矩形构成,矩形宽边过圆心,两窄边与圆两边相切,馈线由50 Ω微带线组成。该天线可天然匹配到50 Ω,无需额外匹配结构。

通过在天线辐射贴片上开槽实现第一个陷波,当开槽长度等于二分之一波长时,即可产生陷波效果[6],其谐振频率可由公式(1)、公式(2)依次计算获得。

(1)

(2)

式中,εr为基板介电常数,εeff为等效介电常数,L为开槽长度,c为光速。

图1 天线结构尺寸图

图2 3 GHz频段陷波特性分析

图2为辐射贴片上开槽的长度L对天线电压驻波比的影响。由图可见,开槽长度的变化仅对3.0～4.0 GHz左右的陷波频段产生影响,因此,开槽使得天线在WiMax频段产生陷波,且随着长度L的增加,陷波中心频率减小。当L=13 mm时,陷波中心频率在4.0 GHz左右;当L增大到17.0 mm时,陷波中心频率减小至3.3 GHz左右。此时电场集中在槽线周围,串联谐振器达到了谐振状态[7],使得天线在该频点实现陷波抑制功能。其他频点电场主要集中在导带和馈电点附近,并不影响天线的超宽带特性。

第二和第三个陷波点均采用耦合微带实现。同样,当耦合线等于二分之一波长时可产生陷波效果[8],由于耦合线是微带,其等效介电常数εeff可由公式(3)计算获得：

(3)

式中,εr是基板介电常数,h为基板厚度,w为导带宽度。根据上述公式计算5.0 GHz陷波以及7.5 GHz陷波得出微带长度为13.0 mm和17.0 mm。利用三维高频电磁场仿真工具HFSS扫描耦合度,可得到微带线耦合间距s和耦合长度l之间的比例关系,通过仿真验证可知,当s=0.254 mm,l=4.0 mm时,可获得最佳陷波效果。

图3为超宽带陷波天线在不同时期的电场分布图,其中图(a)为正常辐射时的电流分布,图(b)—(d)是三个陷波点的电流分布。由图可见,在3.3 GHz陷波点上,电场集中在开槽处;5.0 GHz陷波点上,电场集中在长耦合线上;7.5 GHz陷波点上,电场集中在短耦合线上。三种电场分布均无法对外辐射,实现了陷波。

图3 电场分布图

图3 (续)

通过上述仿真分析,开槽和耦合线仅对各自的陷波频段产生影响,对其他频段不产生影响,因此,可以通过调节开槽和耦合线的长度来实现不同频段上的陷波功能,凸显了设计的灵活性。

图4为超宽带陷波天线在6.0 GHzE面和H面的归一化方向图,其中图(a)为仿真三维立体图,图(b)为对应的二维图。由图可见,天线在H面上全向辐射特性较好,在E面上近似于偶极子天线辐射特性,方向图存在一些由于畸变而导致的不对称,这是由于开槽寄生引起的干扰。

图4 辐射方向图

2 测试及分析对比

图5为超宽带陷波天线的实物照片,天线印制在介电常数3.4,厚度0.5 mm的RO4350B板材上,并利用矢量网络分析仪测试天线驻波。

图6为超宽带三陷波天线电压驻波比(VSWR)的仿真与实际测量结果对比图。实测曲线与仿真曲线基本吻合,实测与仿真之间的细微差别可能是制造精度或者天线接头引起的寄生参数导致,基本频率越高,误差越大。由图6可见,2.0～11.0 GHz频带内,天线分别在3.6 GHz,5.6 GHz和7.4 GHz附近产生陷波而形成阻带。

图5 实物照片

图6 驻波测试仿真对比

3 结束语

设计一种小型的UWB天线,通过辐射贴片和馈线上的缝隙及耦合线实现陷波特性,通过调节缝隙的长宽、耦合线的耦合度和长度,实现对陷波频段的控制,从而避免WiMax、大容量微波通信频段和WLAN频段的干扰。测试结果显示,该超宽带三陷波天线在2.0～11.0 GHz频带内有良好的阻抗特性、陷波特性和辐射特性,且天线尺寸小、结构简单、设计快速、易于PCB集成,可作为短距离无线通信中UWB天线的解决方案。