《電子技術(shù)應(yīng)用》
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3.4/5.5GHz雙阻帶特性的超寬帶天線設(shè)計(jì)
摘要: 設(shè)計(jì)并制作了一副緊湊的印刷圓盤(pán)單極子超寬帶天線,,它可以完全覆蓋2.4GHz和超寬帶頻段,,并且WiMAX(3.2~3.8GHz)和W1AN(5.1~5.9GHz)頻段具有雙阻帶特性,。天線的駐波特性和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖表現(xiàn)出良好的特性,。仿真和測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性,,吻合良好,。因此,,所設(shè)計(jì)的天線在超寬帶通信系統(tǒng)中具有一定的實(shí)用價(jià)值,。
Abstract:
Key words :

超寬帶通信系統(tǒng)由于具有數(shù)據(jù)傳輸率高、損耗低的特點(diǎn),,受到越來(lái)越多的關(guān)注,。自2002年,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(US—FCC)批準(zhǔn),,將 3.1~10.6 GHz頻段作為超寬帶通信技術(shù)應(yīng)用以來(lái),,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。作為超寬帶通信系統(tǒng)的一個(gè)重要的前端組成部分,,超寬帶天線的設(shè)計(jì)是一個(gè)基礎(chǔ)性的引人關(guān)注的課題,。在各類(lèi)天線中,印刷單極子天線以其體積小,、易于共型集成的特點(diǎn)表現(xiàn)出良好的寬帶特性,。因此,,印刷單極天線在超寬帶通信系統(tǒng) (3.1~10.6 GHz)中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是,,有許多其他窄帶系統(tǒng)也工作在這一頻段,,比如無(wú)線局域網(wǎng)(wLAN)IEEE802.11a和 HIPERLAN/2LAN工作在5.2/5.8 GHz頻段,除此之外,,在許多國(guó)家,,工作在3.3~3.7 GHz的WiMAX系統(tǒng)也在超寬帶系統(tǒng)的頻段。因此,,為了避免這些系統(tǒng)的相互干擾,,需要在這些頻段產(chǎn)生陷波來(lái)排除干擾,以增強(qiáng)系統(tǒng)的兼容性,。在特定的頻帶內(nèi)產(chǎn)生阻帶以克服干擾的頻率陷波天線已經(jīng)被大量研究,,比如:在天線上采用對(duì)稱(chēng)倒L型槽,圓環(huán)形槽,,H型槽以及縫隙型的SRR結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生陷波,。盡管如此,大部分天線僅僅克服了WLAN系統(tǒng)的干擾,。在文獻(xiàn)中第一次提到了雙阻帶超寬帶天線,,它可以克服3.4~3.48 GHz和5.4~5.98 GHz的頻段。然而,,由于阻帶帶寬較窄,,沒(méi)有完全克服WLAN和WiMAX頻段的干擾。

為了解決上述問(wèn)題,,提出并設(shè)計(jì)了一款緊湊的印刷單極天線,,它可以同時(shí)克服WLAN和WiMAX頻段的干擾。通過(guò)調(diào)節(jié)輻射貼片上雙矩形槽的尺寸,,可以方便地獲得雙阻帶特性,。同時(shí),天線具有良好的阻抗匹配特性,,可以同時(shí)覆蓋2.4~2.5 GHz和超寬帶頻段,。由于采用了微帶線饋電,天線易于集成和小型化,。利用Ansoft-HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真,,并詳細(xì)分析了天線尺寸參數(shù)對(duì)天線性能的影響。

1 天線設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,,尺寸為37 mm×42 mm×1.5mm,。

圓盤(pán)的半徑為R=10 mm。為了引入雙阻帶,在圓盤(pán)輻射單元上蝕刻了雙同心矩形槽,,矩形槽的寬度T都是0.5 mm,如圖1(b)所示,。矩形槽的長(zhǎng)度在很大程度上決定了阻帶的中心頻率,。外槽的尺寸為L(zhǎng)1,L2和W1,,內(nèi)槽的尺寸為L(zhǎng)L1,,LL2和W2。在內(nèi)矩形槽的兩臂上有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)枝節(jié),,其長(zhǎng)度為Wg,。同時(shí),為了擴(kuò)展阻帶帶寬,,內(nèi)矩形槽延伸到了外矩形槽兩臂的間隙之間,。

微帶饋線寬度為2.6 mm,特性阻抗50 Ω,。微帶線與其他器件采用SMA連接器進(jìn)行連結(jié),。采用缺陷地板結(jié)構(gòu)(DGS)可以很好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配以覆蓋2.4 GHz和UWB頻段,輻射貼片單元與地板的間隙為0.3 mm,。

利用商業(yè)仿真軟件Ansoft—HFSS對(duì)天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化,。優(yōu)化后的天線尺寸為L(zhǎng)1=15 mm,L2=2 mm,,W1=3.5mm,,LL1=8 mm,LL2=3 mm,,W=2.6 mm,,Wg=1.4 mm。天線設(shè)計(jì)在1.5 mm厚的FR4介質(zhì)板上,,相對(duì)介電常數(shù)為4.4,。圖2是設(shè)計(jì)天線的實(shí)物圖,如圖3所示,,電壓駐波比(VSWR)的測(cè)量值與仿真值吻合良好,。

 

 

2 分析設(shè)計(jì)與結(jié)果

用基于有限元的電磁仿真軟件Ansoft—HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真,用安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的電壓駐波比,。測(cè)量和仿真的電壓駐波比如圖3所示,。可以看出,,測(cè)量和仿真結(jié)果吻合良好,。阻抗帶寬(VSWR≤2)覆蓋2.3~15 GHz,完全覆蓋了2.4~2.5 GHz和超寬帶頻段,并且在3.2~3.8 GHz和5.1~5.9 GHz的頻帶上具有良好的阻帶特性,。

設(shè)計(jì)中,,首先研究了如圖4所示的單極子天線,它采用矩形接地板,,具有良好的寬帶特性,,但是體積較大為50 mm×42mm。為了減小天線尺寸,,而保持其超寬帶特性,,采用缺陷地板結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖6所示的文獻(xiàn)中天線和采用缺陷地板結(jié)構(gòu)天線的駐波特性,,比較可以看出,,文獻(xiàn)中的天線具有較好的超寬帶特性,但是采用缺陷地板結(jié)構(gòu)的天線具有更好的阻抗匹配,,天線帶寬可以覆蓋2.4 GHz和整個(gè)超寬帶頻帶(3.1~10.6 GHz),,甚至可以達(dá)到15 GHz。

為了獲得阻帶特性,,在圓盤(pán)單極子天線中引入矩形槽,,槽的尺寸L1=15 mm,L=2 mm,,W1=3.5 mm,,天線的電壓駐波比隨頻率的變化情況如圖8所示,可以看出天線在WiMAX頻段(3.4~3.7 GHz)具有較好的阻帶特性,。為了避免WLAN頻段(5.2/5.8 GHz)的干擾,,需在超寬帶中引入雙阻帶。因此,,在圓盤(pán)單極子天線的矩形槽中引入第2個(gè)矩形槽,,其尺寸為L(zhǎng)L1=8 mm,LL2=3 mm,,W1=2.6 mm,,Wg=1.4 mm,并且將內(nèi)槽延伸到外槽兩臂的間隙之間如圖9所示,。雙矩形槽圓盤(pán)單極子天線的駐波特性隨頻率的變化情況如圖10所示,,可以看出,在2.3~15 GHz的頻段內(nèi)具有良好的駐波特性,,并且在WiMAX(3.2~3.8 GHz)和WLAN(5.1~5.9 GHz)頻段具有阻帶特性,。

 

 

為了進(jìn)一步研究天線的結(jié)構(gòu),對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行了分析,。阻帶特性主要由W1,,Wg,,LL1,W2決定,,各種不同的阻帶可以通過(guò)適當(dāng)?shù)母淖冸p矩形槽的尺寸來(lái)獲得,。圖11所示的天線輻射單元在不同頻率的電流分布,可以看出,,第一(3.5 GHz)和第二(5.5 GHz)阻帶分別與外槽,,內(nèi)槽的尺寸有關(guān)系,即外槽改變了天線低頻的電流分布狀況,,形成低頻阻帶;而內(nèi)槽改變了天線高頻的電流分布,,形成高頻阻帶,。如圖 12所示,在其他參數(shù)不變時(shí),,隨著W1從2.5 mm增大到4.5 mm,,第一阻帶想低頻移動(dòng)。參數(shù)Wg,,W2主要決定第二阻帶,,如圖13,14所示W(wǎng)g和W2對(duì)天線性能的影響,。在其他參數(shù)不變的情況下,,隨著Wg和W2的減小,第二阻帶分別向低頻和高頻移動(dòng),。圖15表明,,LL1對(duì)天線的第二阻帶的帶寬具有重要影響。因此,,雙矩形槽的尺寸對(duì)改變天線阻帶的位置和阻帶帶寬具有重要的意義,。通過(guò)改變雙矩形槽的尺寸可以方便地在不同的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻帶和改變阻帶帶寬。

最后,,研究了天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖,。圖16分別給出了天線在3 GHz,6 GHz,,9 GHz時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)增益方向圖,,表明設(shè)計(jì)的天線在H面(yoz面)具有全向輻射特性,并且所有的方向圖變化相對(duì)較小,。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并制作了一副緊湊的印刷圓盤(pán)單極子超寬帶天線,,它可以完全覆蓋2.4 GHz和超寬帶頻段,并且在WiMAX(3.2~3.8 GHz)和W1AN(5.1~5.9 GHz)頻段具有雙阻帶特性,。天線的駐波特性和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖表現(xiàn)出良好的特性,。仿真和測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性,吻合良好。因此,,所設(shè)計(jì)的天線在超寬帶通信系統(tǒng)中具有一定的實(shí)用價(jià)值,。

 

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