新型雙U縫隙的UWB天線的設(shè)計(jì)與研究

作者：曹新宇;張金玲;楊虹蓁

隨著室內(nèi)高速無線數(shù)據(jù)接入技術(shù)的發(fā)展，要求無線通信系統(tǒng)具有更大的數(shù)據(jù)吞吐量。特別是IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)提出分配3.1～10.6 GHz頻段給超寬帶使用后，超寬帶通信系統(tǒng)越來越受到重視。考慮到與以往天線的設(shè)計(jì)要求，UWB天線不僅要求天線具有體積小、良好的輻射效率、全向覆蓋特性，同時應(yīng)避免和其他通信系統(tǒng)相互干擾，主要重疊的通訊頻段有WLAN（5.2～5.8 GHz），WIMAX（3.3～3.6 GHz）和c波段（3.7～4.2 GHz）雷達(dá)通信系統(tǒng)，因此能否實(shí)現(xiàn)小型化UWB天線及雙阻帶性能已成為當(dāng)今研究的重點(diǎn)。

微帶天線以其剖面薄、體積小、重量輕、可與載體表面相共形、易集成、成本低、易制作等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，常見的小型UWB天線主要包括印刷型單極子和寬縫隙天線。從上述背景出發(fā)，本文設(shè)計(jì)了一種雙U縫隙的UWB天線，帶寬2.97～12.75 GHz（VSWR《2），在滿足天線性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了雙阻帶功能565 MHz（3.35～4.00 GHz）和590 GHz（5.23～5.82 GHz）。在天線設(shè)計(jì)中，地板采用了CPW饋電結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)饋線寬度W3可以達(dá)到高頻匹配，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)天線的小型化;輻射板采用了圓形輻射板CDM，通過調(diào)節(jié)它的半徑可以實(shí)現(xiàn)低頻段的阻抗匹配;輻射板上雙U縫隙的作用是產(chǎn)生雙阻帶，避免與其他通訊系統(tǒng)產(chǎn)生相互干擾。

在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，獲得天線的具體結(jié)果參數(shù)。通過實(shí)物測量，顯示天線性能基本得到滿足，是一種具有實(shí)用意義的UWB天線。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線的具體尺寸結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圓形輻射板、微帶饋線和地板印制在FR4介質(zhì)板的同一面，F(xiàn)R4介質(zhì)板厚度h=1.0 mm，相對介電常數(shù)εr=4.4，尺寸為20.0 mm×27.0 mm×1.0 mm。饋線寬度設(shè)計(jì)為W3=5 mm與50 Ω端口進(jìn)行匹配。其中，天線尺寸為：W=20 mm，L=27 mm，R=10 mm，W1=8 mm，W2=3.5 mm，W3=5.0 mm，L1=10mm，L1=10.2 mm，L2=7.8 mm，s1=0.8 mm，s2=1 mm，s3=0.6 mm。

圖1 天線的具體尺寸結(jié)構(gòu)示意圖

（1）地板對天線駐波的影響。

基于圓形輻射板超寬帶天線理論已被廣泛引用。文中超寬帶天線的輻射板采用圓形輻射板，在天線設(shè)計(jì)中采用了新型復(fù)合地板，它由兩個半橢圓組成通，通過調(diào)節(jié)橢圓主半徑和長短軸比，可以實(shí)現(xiàn)高頻段的阻抗匹配（VSWR《2）。

在天線設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)天線的小型化，可以通過調(diào)節(jié)地板的參數(shù)使得天線的駐波比特性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)天線的寬度W=20 mm情況下，仿真結(jié)果中橢圓的主半徑為4.9mm，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)了小型化天線的設(shè)計(jì)。

圖2 駐波比隨W1變化的特性

（2）U型縫隙對天線駐波的影響。

通過在饋線和輻射板上設(shè)計(jì)雙U型縫隙實(shí)現(xiàn)了雙陷波特性。圖3所示給出了設(shè)計(jì)天線開鑿對駐波比的影響。從圖中可以看出，該天線的帶寬為2.97～12.75 GHz，已經(jīng)超過了超寬帶所給定的帶寬3.0～10.6 GHz。腐蝕在饋線和輻射板上的U型縫隙寬度分別設(shè)為S1，S2和S3，大小直接影響阻帶帶寬。與文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)比較，它們的縫隙都是開在輻射板上，這種設(shè)計(jì)可以在輻射板上激勵新的電流起到諧振作用。本文開了兩個U型縫隙，可以產(chǎn)生雙諧振作用。

圖3 開鑿前后天線的駐波比特性

縫隙2開在輻射板和饋線的連接部分，它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于不僅可以產(chǎn)生諧振，而且對饋線電流到輻射板電流起到匹配作用。當(dāng)改變縫隙2的位置時，可以減小饋線和輻射板之間的反射，調(diào)節(jié)駐波比的大小。

仿真過程中發(fā)現(xiàn)中心諧振頻率被縫隙的長度L1，L2直接影響，長度變短時，中心頻率變大，否則相反。通過分析知道，縫隙的本質(zhì)作用相當(dāng)于1/2波長諧振器。在這個基礎(chǔ)上，通過仿真優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了所需阻抗特性如圖4所示。加工時，寬度《0.1 mm的縫隙不易加工，所以仿真優(yōu)化中，S1，S2和S3最終取值分別是0.8 mm，1 mm和0.6 mm以達(dá)到整體優(yōu)化的折衷。

圖4 駐波比隨L1、L2變化的特性

2 結(jié)果分析

天線實(shí)物如圖1所示。天線的仿真使用了Ansoft公司的高頻仿真軟件HFSS11，天線的駐波比測量使用的是安捷倫E8363B網(wǎng)絡(luò)分析儀。駐波比的仿真結(jié)果與測量結(jié)果的比較如圖5所示。測量結(jié)果表明整個天線的帶寬為2.97～12.75 GHz（VSWR《2），滿足UWB的工作帶寬要求。并且實(shí)現(xiàn)了雙阻帶特性，兩個阻帶帶寬分別為3.35～4.00 GHz和5.23～5.82 GHz。仿真和測量結(jié)果在低頻較吻合，但高頻段測量時的駐波比結(jié)果稍微大于仿真結(jié)果，兩個阻帶同時有輕微右移，這是因加工精度和介質(zhì)材料的介質(zhì)常數(shù)不均勻所引起的，這種誤差在應(yīng)用中是允許的。

圖5 駐波比的仿真結(jié)果與測量結(jié)果的比較

為考察天線在整個工作頻段內(nèi)的輻射特性，測量的工作頻率為3 GHz、6 GHz和9 GHz時的天線E面和H面的輻射方向圖，具體如圖6所示。天線的H面輻射方向圖具有良好全向特性，不圓度《8 dB。整個頻段內(nèi)其輻射方向圖的形狀能保持穩(wěn)定而且具有較好的不圓度，滿足超寬帶通信系統(tǒng)對天線輻射特性的要求。

圖6 天線在3 GHz、6 GHz和9 GHz時的方向圖

3 結(jié)束語

本文提出了一種新型小型化UWB微帶縫隙天線。陷波特性是通過在饋線和輻射板上開兩個U型縫隙，引入半波長諧振結(jié)構(gòu)而獲得的。通過電磁仿真軟件HFSS11仿真計(jì)算，確定了天線的幾何尺寸。在微波暗室中對天線實(shí)物樣品的輸入端反射特性、輻射方向圖等進(jìn)行測量。研究結(jié)果顯示，天線的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)有較好的一致性，該天線在2.97～12.75 GHz的頻段范圍內(nèi)具有良好的阻抗特性、輻射方向特性，在3.35～4.00 GHz和5.23～5.82 GHz范圍內(nèi)具有陷波特性，降低了UWB天線和其他通信系統(tǒng)之間干擾的可能，因此是一種性能較好、具有使用價值的小型化超寬帶天線。

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