3.4/5.5GHz双阻带特性的超宽带天线设计

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超宽带通信系统由于具有数据传输率高、损耗低的特点,受到越来越多的关注。自2002年,美国联邦通信委员会(US—FCC)批准,将 3.1~10.6 GHz频段作为超宽带通信技术应用以来,国内外学者对此进行了大量研究。作为超宽带通信系统的一个重要的前端组成部分,超宽带天线的设计是一个基础性的引人关注的课题。在各类天线中,印刷单极子天线以其体积小、易于共型集成的特点表现出良好的宽带特性。因此,印刷单极天线在超宽带通信系统 (3.1~10.6 GHz)中具有广阔的应用前景。但是,有许多其他窄带系统也工作在这一频段,比如无线局域网(wLAN)IEEE802.11a和 HIPERLAN/2LAN工作在5.2/5.8 GHz频段,除此之外,在许多国家,工作在3.3~3.7 GHz的WiMAX系统也在超宽带系统的频段。因此,为了避免这些系统的相互干扰,需要在这些频段产生陷波来排除干扰,以增强系统的兼容性。在特定的频带内产生阻带以克服干扰的频率陷波天线已经被大量研究,比如:在天线上采用对称倒L型槽,圆环形槽,H型槽以及缝隙型的SRR结构来产生陷波。尽管如此,大部分天线仅仅克服了WLAN系统的干扰。在文献中第一次提到了双阻带超宽带天线,它可以克服3.4~3.48 GHz和5.4~5.98 GHz的频段。然而,由于阻带带宽较窄,没有完全克服WLAN和WiMAX频段的干扰。

为了解决上述问题,提出并设计了一款紧凑的印刷单极天线,它可以同时克服WLAN和WiMAX频段的干扰。通过调节辐射贴片上双矩形槽的尺寸,可以方便地获得双阻带特性。同时,天线具有良好的阻抗匹配特性,可以同时覆盖2.4~2.5 GHz和超宽带频段。由于采用了微带线馈电,天线易于集成和小型化。利用Ansoft-HFSS对天线进行仿真,并详细分析了天线尺寸参数对天线性能的影响。

1 天线设计与结构

天线结构如图1(a)所示,尺寸为37 mm×42 mm×1.5mm。

圆盘的半径为R=10 mm。为了引入双阻带,在圆盘辐射单元上蚀刻了双同心矩形槽,矩形槽的宽度T都是0.5 mm,如图1(b)所示。矩形槽的长度在很大程度上决定了阻带的中心频率。外槽的尺寸为L1,L2和W1,内槽的尺寸为LL1,LL2和W2。在内矩形槽的两臂上有两个对称枝节,其长度为Wg。同时,为了扩展阻带带宽,内矩形槽延伸到了外矩形槽两臂的间隙之间。

微带馈线宽度为2.6 mm,特性阻抗50 Ω。微带线与其他器件采用SMA连接器进行连结。采用缺陷地板结构(DGS)可以很好地实现阻抗匹配以覆盖2.4 GHz和UWB频段,辐射贴片单元与地板的间隙为0.3 mm。

利用商业仿真软件Ansoft—HFSS对天线进行了仿真优化。优化后的天线尺寸为L1=15 mm,L2=2 mm,W1=3.5mm,LL1=8 mm,LL2=3 mm,W=2.6 mm,Wg=1.4 mm。天线设计在1.5 mm厚的FR4介质板上,相对介电常数为4.4。图2是设计天线的实物图,如图3所示,电压驻波比(VSWR)的测量值与仿真值吻合良好。

 

 

2 分析设计与结果

用基于有限元的电磁仿真软件Ansoft—HFSS对天线进行仿真,用安捷伦网络分析仪测量天线的电压驻波比。测量和仿真的电压驻波比如图3所示。可以看出,测量和仿真结果吻合良好。阻抗带宽(VSWR≤2)覆盖2.3~15 GHz,完全覆盖了2.4~2.5 GHz和超宽带频段,并且在3.2~3.8 GHz和5.1~5.9 GHz的频带上具有良好的阻带特性。

设计中,首先研究了如图4所示的单极子天线,它采用矩形接地板,具有良好的宽带特性,但是体积较大为50 mm×42mm。为了减小天线尺寸,而保持其超宽带特性,采用缺陷地板结构如图5所示。图6所示的文献中天线和采用缺陷地板结构天线的驻波特性,比较可以看出,文献中的天线具有较好的超宽带特性,但是采用缺陷地板结构的天线具有更好的阻抗匹配,天线带宽可以覆盖2.4 GHz和整个超宽带频带(3.1~10.6 GHz),甚至可以达到15 GHz。

为了获得阻带特性,在圆盘单极子天线中引入矩形槽,槽的尺寸L1=15 mm,L=2 mm,W1=3.5 mm,天线的电压驻波比随频率的变化情况如图8所示,可以看出天线在WiMAX频段(3.4~3.7 GHz)具有较好的阻带特性。为了避免WLAN频段(5.2/5.8 GHz)的干扰,需在超宽带中引入双阻带。因此,在圆盘单极子天线的矩形槽中引入第2个矩形槽,其尺寸为LL1=8 mm,LL2=3 mm,W1=2.6 mm,Wg=1.4 mm,并且将内槽延伸到外槽两臂的间隙之间如图9所示。双矩形槽圆盘单极子天线的驻波特性随频率的变化情况如图10所示,可以看出,在2.3~15 GHz的频段内具有良好的驻波特性,并且在WiMAX(3.2~3.8 GHz)和WLAN(5.1~5.9 GHz)频段具有阻带特性。

 

 

为了进一步研究天线的结构,对天线参数进行了分析。阻带特性主要由W1,Wg,LL1,W2决定,各种不同的阻带可以通过适当的改变双矩形槽的尺寸来获得。图11所示的天线辐射单元在不同频率的电流分布,可以看出,第一(3.5 GHz)和第二(5.5 GHz)阻带分别与外槽,内槽的尺寸有关系,即外槽改变了天线低频的电流分布状况,形成低频阻带;而内槽改变了天线高频的电流分布,形成高频阻带。如图 12所示,在其他参数不变时,随着W1从2.5 mm增大到4.5 mm,第一阻带想低频移动。参数Wg,W2主要决定第二阻带,如图13,14所示Wg和W2对天线性能的影响。在其他参数不变的情况下,随着Wg和W2的减小,第二阻带分别向低频和高频移动。图15表明,LL1对天线的第二阻带的带宽具有重要影响。因此,双矩形槽的尺寸对改变天线阻带的位置和阻带带宽具有重要的意义。通过改变双矩形槽的尺寸可以方便地在不同的频带内实现阻带和改变阻带带宽。

最后,研究了天线的远场辐射方向图。图16分别给出了天线在3 GHz,6 GHz,9 GHz时的远场增益方向图,表明设计的天线在H面(yoz面)具有全向辐射特性,并且所有的方向图变化相对较小。

3 结束语

设计并制作了一副紧凑的印刷圆盘单极子超宽带天线,它可以完全覆盖2.4 GHz和超宽带频段,并且在WiMAX(3.2~3.8 GHz)和W1AN(5.1~5.9 GHz)频段具有双阻带特性。天线的驻波特性和远场辐射方向图表现出良好的特性。仿真和测量结果具有较好的一致性,吻合良好。因此,所设计的天线在超宽带通信系统中具有一定的实用价值。

 

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