一种小型双陷波超宽带天线的设计
05-08
来源:现代电子技术 作者:张旭辉 东莞市无线电监测站
摘要 设计了一种小型双阻带的超宽带天线。采用由两个半椭圆和一个长条矩形复合的一种新型地板结构,从而实现了超宽带天线小型化。通过开双U型缝隙实现了双阻带特性,阻带带宽分别是540 MHz和610 MHz。天线实物测量结果表明,天线驻波比<2的带宽为2.7~12 GHz,在整个频段内天线增益较高,同时方向图全向特性良好。天线的测量结果和仿真结果有较好的一致性。
关键词 超宽带;复合地板;双陷波特性;天线小型化
随着室内高速无线数据接入技术的发展,要求未来的无线通信系统具有更大的数据吞吐量。特别是IEEE802.15.3a标准提出分配3.1~10.6 GHz频段给超宽带使用后,超宽带通信系统越来越受到重视。考虑到UWB天线不仅要求天线体积小、良好的辐射效率、全向覆盖特性,同时还要避免和其他通信系统相互干扰,主要重叠的通讯频段有WLAN(5.2~5.8 GHz)、WIMAX(3.3~3.6 GHz),和C波段(3.7~4.2GHz)雷达通信系统,因此能否实现小型化UWB天线及双阻带性能已成为研究重点。
微带天线以其剖面薄、体积小、重量轻、可与载体表面相共形、易集成、成本低、容易制作等优点备受关注,常见的小型UWB天线主要包括印刷型单极子和宽缝隙天线。从上述背景出发,文中设计了一种双U缝隙的UWB天线,带宽2.9~12.4 GHz(VSWR<2),在满足天线性能的基础上实现了双阻带功能540 MHz(3.28~3.82 GHz)和610 MHz(5.17~5.78 GHz)。在天线的设计中,地板采用复合结构,两个半椭圆通过一个矩形长条连接,通过调节矩形宽度W1可达到高频匹配,实现设计天线的小型化,这种小地板在一定程度上降低了雷达散射截面;辐射板采用圆形辐射板CDM,通过调节其半径可以实现低频段的阻抗匹配;辐射板上的双U缝隙的作用是产生双阻带,避免与其他通讯系统的相互干扰。
在经验的基础上进行了大量仿真实验,获得天线的具体结果参数。最后通过实物测量,显示天线性能基本得到满足,因此UWB天线具有实用价值。
1 天线结构设计
天线的具体尺寸结构如图1所示。基于圆形辐射板的超宽带天线理论已被广泛引用。本文设计的超宽带天线辐射板采用圆形辐射板,在天线设计中采用了新型的复合地板,它由两个半椭圆通过一个矩形长条连接而成,通过调节复合地板的宽度W1、椭圆主半径和长短轴比,可以实现高频段的阻抗匹配。天线的双陷波特性是通过在馈线和辐射板上设计双U型缝隙来实现,其中一个U型缝隙开在了馈线和辐射板之间,在改善天线的驻波比特性的同时实现了陷波特性。
圆形辐射板(半径r)和微带馈线印制在FR4介质板的同一面,FR4介质板厚度h=0.8 mm,相对介电常数εr=4.4,尺寸为L×W。馈线宽度设计为Wf=5 mm与50 Ω端口进行匹配。介质另一面印制了一个宽度W1=0.1 mm的矩形和两个半椭圆,它的主半径3.7mm,长短轴比为2.5。图1中,单位为mm,W=20,L=31,R=10,Wf=5,W1=0.1,W2=8,W3=3.4,L1=10,L2=7.8,s1=1,s2=0.8,s3=0.6、h=1。
新设计方法的优点是,在固定介质板尺寸的前提下,不改变天线的宽度W,只改变W1就能实现地板电流长度的改变,因此这个起连接作用的矩形长条,在电路中就相当于一个阻抗变换器。在天线设计中为实现天线的小型化,可以通过调节地板的W1使得天线的驻波比特性达到设计要求。设计天线的宽度W=20 mm情况下,W1尺寸变化对天线驻波比的影响如图2所示,从仿真结果和可实现的角度考虑确定了W1=0.1mm,同时实现了天线小型化天线的设计。
天线采用在馈线和辐射板上设计双U型缝隙实现了双陷波特性。以往文献中设计的天线缝隙都是开在辐射板上,而在文中,其中一个U型缝隙开在了辐射板和馈线的连接部分,它的设计特点在于不仅可以产生谐振实现陷波,同时改善了天线的驻波比特性。图3给出了天线上双U型缝隙开槽前后对天线驻波比的影响。从图中可以看出,在天线上开双U型缝隙后,天线不仅实现了双陷波特性,同时天线的带宽达到2.7~12 GHz,完全覆盖了超宽带所规定的频段3.0~10.6 GHz。腐蚀在馈线和辐射板上的U型缝隙尺寸分别设为S1,S2和S3,具体可见图1所示,其大小直接影响阻带带宽,仿真优化后S1、S2和S3最终取值分别是1.0mm,0.8mm和0.6mm。
双U型缝隙的长度L1、L2直接影响陷波中心谐振频率,图4给出了L1、L2变化时天线的驻波比特性。从图中看出,长度变短时,陷波中心谐振频率升高,否则相反。通过分析可知,缝隙的本质作用相当于1/2波长谐振器。在此基础上,通过优化最终确定了L1=10mm、L2=7.8mm。
2 结果分析
天线仿真使用Ansoft公司的高频仿真软件HFSS11,天线驻波比测量使用Aglent E8363B网络分析仪。驻波比的仿真结果与测量结果的比较如图5所示。测量结果表明整个天线的带宽为2.7~12 GHz,满足UWB的工作带宽要求。并且实现了双阻带特性,两个阻带带宽分别为3.3~4.2 GHz和5.15~6.1 GHz。仿真和测量结果在低频吻合,高频段时测量的驻波比结果稍大于仿真的结果,两个阻带稍有右移,这是由加工的精确度和介质材料的介电常数不均匀引起的,这种误差在应用中是允许的。
天线在整个工作频段内的增益特性如图7所示。从图中可以看出,该天线在整个频段内具有比较平坦的增益,增益基本在3~6 dBi之间,在3.6 GHz和5.7 GHz频率附近,增益下降至-12 dBi和-9.6 dBi,明显出现了双陷波特性。综合阻抗带宽、方向图带宽和增益带宽的仿真结果和实际测量结果,可见这种天线具有小型超宽带特性的同时具有两个阻带,是一种性能良好的抗干扰UWB天线。
3 结束语
文中提出了一种新型小型化超宽带天线。小型化是在固定天线宽度的情况下改变地板实现的;陷波特性是通过在馈线和辐射板上开两个U型缝隙,引入半波长谐振结构而获得的,从而该天线在实现小型化的同时还具有双陷波特性。研究结果显示,天线的仿真数据和实测数据都有较好的一致性,在2.9~12 GHz的频段范围内具有良好的阻抗特性和辐射方向特性,在3.3~4.2 GHz和5.15~6.1 GHz范围内具有陷波特性,因此这种天线是一种具有实用价值的小型化超宽带天线。
摘要 设计了一种小型双阻带的超宽带天线。采用由两个半椭圆和一个长条矩形复合的一种新型地板结构,从而实现了超宽带天线小型化。通过开双U型缝隙实现了双阻带特性,阻带带宽分别是540 MHz和610 MHz。天线实物测量结果表明,天线驻波比<2的带宽为2.7~12 GHz,在整个频段内天线增益较高,同时方向图全向特性良好。天线的测量结果和仿真结果有较好的一致性。
关键词 超宽带;复合地板;双陷波特性;天线小型化
随着室内高速无线数据接入技术的发展,要求未来的无线通信系统具有更大的数据吞吐量。特别是IEEE802.15.3a标准提出分配3.1~10.6 GHz频段给超宽带使用后,超宽带通信系统越来越受到重视。考虑到UWB天线不仅要求天线体积小、良好的辐射效率、全向覆盖特性,同时还要避免和其他通信系统相互干扰,主要重叠的通讯频段有WLAN(5.2~5.8 GHz)、WIMAX(3.3~3.6 GHz),和C波段(3.7~4.2GHz)雷达通信系统,因此能否实现小型化UWB天线及双阻带性能已成为研究重点。
微带天线以其剖面薄、体积小、重量轻、可与载体表面相共形、易集成、成本低、容易制作等优点备受关注,常见的小型UWB天线主要包括印刷型单极子和宽缝隙天线。从上述背景出发,文中设计了一种双U缝隙的UWB天线,带宽2.9~12.4 GHz(VSWR<2),在满足天线性能的基础上实现了双阻带功能540 MHz(3.28~3.82 GHz)和610 MHz(5.17~5.78 GHz)。在天线的设计中,地板采用复合结构,两个半椭圆通过一个矩形长条连接,通过调节矩形宽度W1可达到高频匹配,实现设计天线的小型化,这种小地板在一定程度上降低了雷达散射截面;辐射板采用圆形辐射板CDM,通过调节其半径可以实现低频段的阻抗匹配;辐射板上的双U缝隙的作用是产生双阻带,避免与其他通讯系统的相互干扰。
在经验的基础上进行了大量仿真实验,获得天线的具体结果参数。最后通过实物测量,显示天线性能基本得到满足,因此UWB天线具有实用价值。
1 天线结构设计
天线的具体尺寸结构如图1所示。基于圆形辐射板的超宽带天线理论已被广泛引用。本文设计的超宽带天线辐射板采用圆形辐射板,在天线设计中采用了新型的复合地板,它由两个半椭圆通过一个矩形长条连接而成,通过调节复合地板的宽度W1、椭圆主半径和长短轴比,可以实现高频段的阻抗匹配。天线的双陷波特性是通过在馈线和辐射板上设计双U型缝隙来实现,其中一个U型缝隙开在了馈线和辐射板之间,在改善天线的驻波比特性的同时实现了陷波特性。
圆形辐射板(半径r)和微带馈线印制在FR4介质板的同一面,FR4介质板厚度h=0.8 mm,相对介电常数εr=4.4,尺寸为L×W。馈线宽度设计为Wf=5 mm与50 Ω端口进行匹配。介质另一面印制了一个宽度W1=0.1 mm的矩形和两个半椭圆,它的主半径3.7mm,长短轴比为2.5。图1中,单位为mm,W=20,L=31,R=10,Wf=5,W1=0.1,W2=8,W3=3.4,L1=10,L2=7.8,s1=1,s2=0.8,s3=0.6、h=1。
新设计方法的优点是,在固定介质板尺寸的前提下,不改变天线的宽度W,只改变W1就能实现地板电流长度的改变,因此这个起连接作用的矩形长条,在电路中就相当于一个阻抗变换器。在天线设计中为实现天线的小型化,可以通过调节地板的W1使得天线的驻波比特性达到设计要求。设计天线的宽度W=20 mm情况下,W1尺寸变化对天线驻波比的影响如图2所示,从仿真结果和可实现的角度考虑确定了W1=0.1mm,同时实现了天线小型化天线的设计。
天线采用在馈线和辐射板上设计双U型缝隙实现了双陷波特性。以往文献中设计的天线缝隙都是开在辐射板上,而在文中,其中一个U型缝隙开在了辐射板和馈线的连接部分,它的设计特点在于不仅可以产生谐振实现陷波,同时改善了天线的驻波比特性。图3给出了天线上双U型缝隙开槽前后对天线驻波比的影响。从图中可以看出,在天线上开双U型缝隙后,天线不仅实现了双陷波特性,同时天线的带宽达到2.7~12 GHz,完全覆盖了超宽带所规定的频段3.0~10.6 GHz。腐蚀在馈线和辐射板上的U型缝隙尺寸分别设为S1,S2和S3,具体可见图1所示,其大小直接影响阻带带宽,仿真优化后S1、S2和S3最终取值分别是1.0mm,0.8mm和0.6mm。
双U型缝隙的长度L1、L2直接影响陷波中心谐振频率,图4给出了L1、L2变化时天线的驻波比特性。从图中看出,长度变短时,陷波中心谐振频率升高,否则相反。通过分析可知,缝隙的本质作用相当于1/2波长谐振器。在此基础上,通过优化最终确定了L1=10mm、L2=7.8mm。
2 结果分析
天线仿真使用Ansoft公司的高频仿真软件HFSS11,天线驻波比测量使用Aglent E8363B网络分析仪。驻波比的仿真结果与测量结果的比较如图5所示。测量结果表明整个天线的带宽为2.7~12 GHz,满足UWB的工作带宽要求。并且实现了双阻带特性,两个阻带带宽分别为3.3~4.2 GHz和5.15~6.1 GHz。仿真和测量结果在低频吻合,高频段时测量的驻波比结果稍大于仿真的结果,两个阻带稍有右移,这是由加工的精确度和介质材料的介电常数不均匀引起的,这种误差在应用中是允许的。
为考察天线在整个工作频段内的辐射特性,测量了工作频率为3GHz,6GHz和9 GHz时的天线的E面和H面的辐射方向图,具体如图6所示。天线的H面辐射方向图具有良好全向特性,不圆度不超过8 dB。整个频段内其辐射方向图的形状能保持稳定且具有较好的不圆度,满足超宽带通信系统对天线辐射特性的要求。
天线在整个工作频段内的增益特性如图7所示。从图中可以看出,该天线在整个频段内具有比较平坦的增益,增益基本在3~6 dBi之间,在3.6 GHz和5.7 GHz频率附近,增益下降至-12 dBi和-9.6 dBi,明显出现了双陷波特性。综合阻抗带宽、方向图带宽和增益带宽的仿真结果和实际测量结果,可见这种天线具有小型超宽带特性的同时具有两个阻带,是一种性能良好的抗干扰UWB天线。
3 结束语
文中提出了一种新型小型化超宽带天线。小型化是在固定天线宽度的情况下改变地板实现的;陷波特性是通过在馈线和辐射板上开两个U型缝隙,引入半波长谐振结构而获得的,从而该天线在实现小型化的同时还具有双陷波特性。研究结果显示,天线的仿真数据和实测数据都有较好的一致性,在2.9~12 GHz的频段范围内具有良好的阻抗特性和辐射方向特性,在3.3~4.2 GHz和5.15~6.1 GHz范围内具有陷波特性,因此这种天线是一种具有实用价值的小型化超宽带天线。
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