小型具有双阻带特性的超宽带天线设计

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随着无线通信技术的普及,超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)技术成为无线通信领域中极具竞争力和发展前景的焦点。2002年,美国联邦通行委员会(FCC)批准将3.1~10.6 GHz之间7.5 GHz的频段分配给超宽带无限通信业务使用。共面波导相对于常规微带传输线来说,具有低色散,易加工,易于与微波电路集成无源或有源的表面贴装元件实现并联或者串联链接、不需要过孔、相互间串扰小等优点,并且共面波导的特性阻抗是由中间导带宽度和缝隙之比决定,可以自由设计其尺寸。但是,考虑到在UWB频段内存在有其他窄带无线通信系统,例如Wi-Max(3.3~3.6 GHz),卫星C波段(3.7~4.2 GHz)和W1AN(5.15~5.825 GHz)系统。为了抑制不同系统之间的相互干扰,具有陷波特性的超宽带天线被广泛研究。然而,这些文献中的天线多是只能获得单阻带特性。

本文提出了一种具有双阻带特性的超宽带天线。设计的无阻带特性的UWB天线VSWR<2的阻抗带宽为2.58~12 GHz,,通过在辐射单元上开E型槽和在地板开一对细槽,通过调节槽的尺寸、宽度和位置实现覆盖3.75 GHz处和5.5 GHz处的双阻带特性。实测与仿真结果吻合较好。

1 天线的设计

图1给出了文中所提出的具有陷波特性的共面波导馈电的超宽带天线几何模型。天线的总尺寸为34 mm×25 mm×1.5 mm,较为紧凑。共面波导传输线具有50 Ω特性阻抗,与地板间隔0.3 mm,传输线宽度2 mm。共面波导传输线长度19.5 mm。靠近下缘的矩形贴片为地板,半周期正弦形状的辐射单元距离地板为gap=0.5 mm。天线制作在相对介电常数εr=4.4、厚度为1.5 mm的低耗FR-4基板上。为了实现中心频率在3.75 GHz和5.5 GHz处的陷波特性,在辐射单元上开E型槽和在地板上的一对细槽,实现了双阻带特性。

 

3.75 GHz处的陷波特性由辐射单元上E型槽来实现。槽总长度约为槽线3.75 GHz工作时波长的1/2。通过在地板上加载一对对称细槽,实现了5.5 GHz处的陷波特性。细槽距地板边缘为W1,长度L1约为期望阻带谐振频率对应工作波长的1/4。

使用商用软件Ansofi HFSS v11对天线的模型进行仿真分析与优化,通过调节各槽的长度、宽度与位置,最终实现了具有良好特性的双阻带超宽带天线。表1给出了符合天线设计的主要变量参数组合。图2是根据以上设计结果制作的天线模型实物图。

 

 

2 天线特性分析

天线驻波测量使用WILTRON37269A矢量网络分析仪。图3给出了天线电压驻波比的测量与仿真结果比较。如图3所示,天线在UWB频段内的驻波比均<2,对于带陷波结构的超宽带天线测量结果和仿真结果吻合较好。但测量结果较仿真结果有频偏,这是由于介质板的介电常数不均匀或加工误差所造成的,而测量结果仍满足天线设计的要求,VSWR>2的频带范围在3.25~4.25 GHz和5.1~5.95 GHz的两个频带内,覆盖了3.3~-4.2 GHz和5.15~5.825 GHz两个频带范围。

 

本设计对当中对天线性能影响较重要的参数进行了进一步的研究。主要分析的参数为辐射单元上的E型槽内半径Rin和地板上的细槽长度L1分别如图4和图5所示。可以看出Rin和L1对阻带频率位置的控制作用,说明通过调节槽长度可以得到所需的隔离频带。

 

图6给出了天线在3.2 GHz,4.5 GHz和7 GHz这3个频点的E面(xoz面)和H面(yoz面)仿真远场辐射方向图。图7给出了该天线在UWB频率范围内的仿真增益,在阻带范围内天线的增益明显下降,体现了天线的阻带特性。

 

3 结束语

提出了一种新型的具有双阻带特性的超宽带天线,制作出实物天线并成功验证了天线的超宽带和陷波特性。并在3.1~10.6 GHz的频带内满足VSWR<2的宽带工作要求,而在期望的中心频率为3.75 GHz和5.5 GHz的频带范围内具有良好的陷波特性。该天线的尺寸较小,具有便于电路集成的平面印刷结构,因此是一种性能较好、具有实用价值的带陷波超宽带天线。

 

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