具有优越陷波选择性和带宽的超宽带缝隙天线
   来源:现代电子技术     2021年01月18日 11:35

张涌萍+杨汝

摘 要: 提出一种具有改善陷波特性的超宽带缝隙天线,该天线由T形微带枝节馈电的矩形缝隙天线来实现超宽频阻抗带宽,由嵌入在T形枝节上的[14]波长缝隙和地板上的一对[14]波长的缝隙构成两阶滤波器,实现陷波优越的选择形和带宽特性。另外,可以通过调整所嵌入的缝隙的宽度和位置来调节陷波的带宽。该天线具有较好的全向辐射特性,可以应用在各种超宽带通信系统中。

关键词: 超宽带天线; 双陷波特性; 缝隙天线; 可控陷波带宽

中图分类号: TN82?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)15?0086?03

UWB slot antenna with superior band?notched selectivity

ZHANG Yong?ping1, YANG Ru2

(1. Guangdong Food and Drug Vocational College, Guangzhou 510520, China;

2. School of Physics and Telecommunication Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Abstract: A UWB slot antenna with the improved band?notched characteristics is presented. A rectangular slot antenna fed by a T?shaped micro?strip stub is adopted in the antenna to realize an UWD impedance matching bandwidth. The second?order notch filter is composed of a pair of 1/4 wavelength slits embedded on the ground and a 1/4 wavelength slit on the T?shaped stub to achieve superior trap selection and bandwidth characteristics. Moreover, the band?notched bandwidth can be controlled by adjusting the position and width of the silts. The proposed antenna has a nearly omni?directional radiation characteristics, and can be applied to various portable UWB antennas.

Keywords: ultra?wideband antenna; dual?band?notched characteristic; slot antenna; controllable notched bandwidth

0 引 言

美国联邦通信委员会(FCC)在2002年将3.1~10.6 GHz频段划归为超宽带通信系统的通信频段[1],从那以后,研究人员广泛研究超宽带通信系统的设计和应用[2?5]。然而,在3.1~10.6 GHz频段内覆盖了无线局域网(WLAN)使用的5.15~5.85 GHz频段,这会给超宽带通信系统带来潜在的干扰。为了抑制超宽带通信系统与无线局域网通信系统之间存在的干扰,传统的做法是在超宽带通信系统中额外地引入5.15~5.85 GHz频段阻带滤波器滤,将5.15~5.85 GHz频段信号滤除。但这样的方法加大了整个系统设计的复杂度,同时还增加了整个系统的设计和物料成本。

为降低整个系统的复杂度和成本,天线设计人员已经设计出了各种各样的带有陷波结构的超宽带天线[6?10],用陷波结构来替代带阻滤波器。实现陷波特性的方法包括:在单极子天线的辐射单元陷入不同结构的缝隙[6?7],改变缝隙天线的馈电枝节结构[8]或引入多余的微带谐振器[9?10]。但是,上面所述的陷波结构只能产生单个滤波频率点,相当于引入一个一阶的滤波器,使得陷波结构产生的阻带的选择性较差,并且阻带的带宽较窄,导致不能有效地消除超宽带通信系统与其他通信系统之间的信号干扰,降低超宽带系统的通信质量。

为此,本文提出了一种具有良好陷波特性的矩形缝隙超宽带天线。通过引入T形微带枝节馈电的矩形缝隙作为天线作为辐射单元,可以实现超宽带天线的阻抗匹配。在T形馈电枝节上嵌入一个开路的矩形缝隙和在地板上嵌入一对开路的矩形缝隙,相当于引入了一个二阶的滤波器。与传统的一阶滤波器相比,二阶滤波器产生的阻带特性具有很大的提高。另外,陷波的带宽可以通过改变所嵌入的缝隙的宽度和位置来调节。

1 天线设计

图1显示的是提所出天线的结构和尺寸,天线雕刻在一块尺寸为22.4 mm× 25.9 mm的PCB射频电路基板上,所采用的电路基板的厚度为0.8 mm,介电常数为2.55。天线的辐射单元为矩形缝隙,由T形微带直接馈线。在天线的设计过程中,通过电磁仿真软件HFSS优化矩形缝隙和T形微带介质的参数尺寸,可以实现天线在超宽带频段内良好的阻抗匹配。

图1 天线结构

为了实现在5.1~5.85 GHz频段的二阶滤波特性,采用二阶陷波结构。二阶陷波结构由嵌入在T形馈电枝节上的开路矩形缝隙和嵌入在地板上的一对开路的矩形缝隙构成。T形枝节上的缝隙和地板上的矩形缝隙能分别产生一个滤波频率,当这两个频率耦合在一起时,就产生了二阶滤波特性。缝隙的长度可以通过下面的公式得到:

[L1=c(4f1εr)] (1)

[L2=c(4f2εr)] (2)

式中:[εr]为介质的相对介电常数;c是光在真空中的速度;[f1,][f2]分别为嵌入在T型枝节上的缝隙和嵌入地板上的缝隙所产生的滤波频率。在本设计中,[f1,][f2]的初始值分别为5.2 GHz和5.52 GHz。根据上述的设计方法,采用HFSS仿真软件优化后天线的尺寸见表1。

表1 天线尺寸 mm

[[L]\&[Ls]\&[ws]\&[p1]\&[p2]\&[wf]\&25.9\&22.5\&12.0\&1.7\&2.0\&3.0\&[Lf]\&[g]\&[S]\&[T1]\&[T2]\&[w1]\&8.4\&0.2\&1.1\&10.8\&5.7\&0.3\&[L1]\&[a1]\&[w2]\&[L2]\&[a2]\&\&10.0\&0.3\&0.3\&10.2\&0.2\&\&]

在陷波超宽带天线的现实应用中,如果陷波具有良好的选择性,会改善通信的质量,因此,陷波的选择性是衡量天线性能的重要指标。为了衡量陷波的选择性,采用式(3)所示的选择标准:

[fc=BW-3 dBBW-10 dB] (3)

式中:[BW-3 dB]和[BW-10 dB]分别为阻带的-3 dB和-10 dB带宽。

图2显示了具有二阶陷波结构的天线和具有一阶陷波结构天线的回波损耗比较。从图中可见,前面两种天线只产生一个滤波频率,而后面一种天线能产生两个滤波频率。当这两个滤波频率耦合在一起时,形成单个具有二阶响应特性的陷波,并且在陷波的两边分别形成一个传输零点。二阶陷波天线的[fc]值为0.55,前面两种一阶陷波天线的[fc]值分别为0.23和0.29。从这三种天线[fc]的数值可以看出,具有二阶陷波结构的天线具有更好的选择性。

图2 三种不同陷波结构的回波损耗对比

为了使天线能应用在各种不同的无线通信系统中,那么陷波的带宽的可控性就是另外一个很重要的指标。图3、图4分别研究了所嵌入的缝隙宽度和位置对陷波带宽的影响。从图中可见,陷波带宽随缝隙宽度的变大而变宽,随[a1]和[a2]的变大而变宽。

图3 陷波带宽随嵌入缝隙宽度的变化曲线

图4 陷波带宽随嵌入缝隙位置的变化曲线

2 实验结果

根据表1中给出的天线尺寸,制造了天线的样品并对其进行测试。仿真和测试的回波损耗如图5所示。从图中可见,天线的-10 dB阻抗带宽为3.12~11 GHz,陷波带宽为5.05~6.06 GHz,仿真和测试的结果基本吻合。

图5 天线仿真和测试的回波损耗

为了解释陷波产生机理,图6显示了在5.2 GHz和5.52 GHz频率下的电路分布图,在5.2 GHz频率下,电流主要集中在地板上的缝隙周围,而在5.52 GHz频率下,电流主要集中在T形枝节的缝隙周围,在5.2和5.52 GHz频率下,极少的电流分布在矩形缝隙边缘,造成天线在这两频率点附近产生较大的衰减和阻抗失配,从而形成陷波。

图6 天线在不同频率下的电流分布图

图7显示的是天线除了在4 GHz,7 GHz和9 GHz E面和H面的辐射方向图。从图中可见,天线的方向图具有较好的全向性。天线的增益如图8所示,从图中可见,天线在陷波频段的增益下降得非常显著,而在其他的频段内增益变化曲线比较平坦,数值在3.5~5.7 dBi之间。

3 结 论

本文提出了一种具有改进陷波特性的超宽带天线的设计方法。改善了陷波的选择性和带宽,有效地抑制了WLAN 5~6 GHz频段通信系统对超宽带通信系统的干扰,并提出了一种新的二阶陷波结构。另外,陷波的带宽可以简单地通过改变所嵌入的缝隙的宽度和位置来调节。该天线具有较好的辐射全向性,可以广泛地应用于超宽带通信系统中。

图7 天线辐射方向图

图8 天线增益

参考文献

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