一種新型雙陷波特性的超寬帶單極子天線設(shè)計(jì)

摘要 提出了一種新型雙陷波特性的超寬帶單極子天線。通過(guò)在介質(zhì)基板上添加錐形輻射貼片，天線可以覆蓋超寬帶通信頻段。在輻射貼片上引入上、下兩個(gè)錐形縫隙結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)3.5 GHz、5.5 GHz的雙陷波特性。天線實(shí)測(cè)模型電壓駐波比<2的阻抗帶寬是2.56～10.61GHz，其中3.18～3.76 GHz和4.4～5.75 GHz具有陷波特性。測(cè)試表明，天線在工作頻帶內(nèi)具有全向輻射特性。

20世紀(jì)90年代，超寬帶技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。隨著短距離無(wú)線通信的發(fā)展，2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)劃分3.1～10.6 GHz頻段用于商用的超寬帶通信系統(tǒng)，從此uWB技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。

由于在超寬帶的頻率范圍與現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)頻率相重疊如：WIMAX(3.4～3.6GHz)、WIAN(2.4～2.484 GHz，5.15～5.35GHz，5.725～5.825 GHz)、HIPERLAN/2(5.15～5.35 GHz，5.47～5.725 GHz)等。為了避免超寬帶通信系統(tǒng)中的其他頻段的相互干擾，具有陷波特性的超寬帶天線得到了廣泛的設(shè)計(jì)與研究。

近年來(lái)，天線工程師開(kāi)始將諧振結(jié)構(gòu)直接蝕刻在超寬帶天線的輻射貼片上或貼片周?chē)固炀€在干擾頻段內(nèi)具有陷波特性。通常使用的陷波結(jié)構(gòu)為“C”或“U”形縫隙或金屬條帶。然而很多設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且大部分只是單陷波特性。

本文提出了一種具有雙陷波特性的微帶饋電的超寬帶天線。通過(guò)在錐形輻射貼片上腐蝕兩個(gè)錐形縫隙，可以使天線在3.5 GHz和5.5 GHz獲得陷波特性。測(cè)試結(jié)果表明天線電壓駐波比小于2的阻抗帶寬是2.56～10.61 GHz，并且在帶內(nèi)具有較好的雙陷波和全向輻射特性。

1 天線的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

圖1給出了采用錐形縫隙的雙陷波超寬帶印刷天線的結(jié)構(gòu)圖。天線蝕刻在相對(duì)介電常數(shù)εr為4.4，厚度H為1.52 mm的FR4介質(zhì)基板上，整體尺寸為35 mm×30 mm，地板大小為30 mm×13.5 mm。饋電部分是50 Ω的微帶線，其中微帶線寬度為2 mm，并與SMA型同軸連接器相連。天線正面是錐形的輻射貼片，選取合適的尺寸，可以使天線得到超寬帶性能。通過(guò)在輻射貼片上引入上、下兩個(gè)錐形縫隙，可以使天線在3.5 GHz和5.5 GHz處實(shí)現(xiàn)雙陷波特性。

為分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)天線電性能的影響，采用3D電磁仿真軟件Ansoft HFSS V13對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化分析。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)及加工調(diào)試后確定的天線尺寸如下：L=35 mm，L1=15 mm，L2=6.5 mm，L3=5.5 mm，L4=1.5 mm，L5=13.5 mm，W=30 mm，W1=2 mm，W2=4 mm，W3= 29 mm，S1=2 mm，S2=1.5 mm，H=1.52 mm。上下兩個(gè)縫隙的長(zhǎng)度分別為p1=25 mm，p2=16 mm。

2 結(jié)果分析

圖2給出了天線在頻率為3.5 GHz、5.5 GHz時(shí)的仿真表面電流分布?？梢钥闯?，天線工作在3.5 GHz時(shí)，表面電流主要集中在上面的錐形縫隙周?chē)?工作在5.5 GHz時(shí)，表面電流主要集中在下面的錐形縫隙周?chē)?。此時(shí)縫隙上下兩側(cè)的電流方向相反，天線工作于準(zhǔn)傳輸線模式。由于縫隙長(zhǎng)度約為1/4波長(zhǎng)，此模式將縫隙上側(cè)的高阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)橄聜?cè)的零阻抗，導(dǎo)致天線的阻抗失配，造成天線不能向外輻射，也就形成了天線的陷波特性。

圖3和圖4分別給出了縫隙長(zhǎng)度p1和p2取不同值時(shí)，天線電壓駐波比的仿真結(jié)果。如圖所示，可以看出調(diào)節(jié)錐形縫隙的長(zhǎng)度可以改變陷波頻帶的位置，且基本不會(huì)影響其他的工作頻帶。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent—E5071B對(duì)加工后的天線模型進(jìn)行了測(cè)試，圖5給出了有無(wú)錐形縫隙時(shí)，天線電壓駐波比的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果?？梢钥闯觯炀€電壓駐波比的實(shí)測(cè)曲線與仿真結(jié)果基本吻合，在頻段內(nèi)的差異可能是由于加工誤差和測(cè)量環(huán)境引起的。引入錐形縫隙后，天線明顯產(chǎn)生兩個(gè)陷波頻帶(3.18～3.76 GHz和4.4～5.75 GHz)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線模型的電壓駐波比<2的工作頻帶為2.56～10.61 GHz，滿足了UWB通信系統(tǒng)對(duì)工作帶寬的基本要求。

圖6分別給出了3.1 GHz、4 GHz和8 GHz頻點(diǎn)處的實(shí)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。在y—z平面內(nèi)(E面)，天線輻射方向圖具有類似單極子天線的方向圖;在z-y面(H面)內(nèi)，天線輻射方向圖近似全向。

圖7給出了天線在工作頻帶內(nèi)的實(shí)測(cè)增益曲線。如圖所示，天線增益在3.5 GHz、5.5 GHz頻帶內(nèi)有明顯下降，說(shuō)明該天線具有良好的雙陷波特性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型的用于UWB通信系統(tǒng)的雙陷波超寬帶印刷單極子天線。利用改進(jìn)的錐形輻射貼片和錐形縫隙，使得天線形成帶有雙陷波特性的超寬帶天線。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線滿足UWB通信的阻抗帶寬，并具有良好的雙陷波特性和全向輻射特性。因此，該天線在無(wú)線超頻帶通信系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。