隨著無線通信技術(shù)的普及,超寬帶(Ultra-Wide Band,UWB)技術(shù)成為無線通信領(lǐng)域中極具競爭力和發(fā)展前景的焦點(diǎn)。2002年,美國聯(lián)邦通行委員會(huì)(FCC)批準(zhǔn)將3.1~10.6 GHz之間7.5 GHz的頻段分配給超寬帶無限通信業(yè)務(wù)使用。共面波導(dǎo)相對(duì)于常規(guī)微帶傳輸線來說,具有低色散,易加工,易于與微波電路集成無源或有源的表面貼裝元件實(shí)現(xiàn)并聯(lián)或者串聯(lián)鏈接、不需要過孔、相互間串?dāng)_小等優(yōu)點(diǎn),并且共面波導(dǎo)的特性阻抗是由中間導(dǎo)帶寬度和縫隙之比決定,可以自由設(shè)計(jì)其尺寸。但是,考慮到在UWB頻段內(nèi)存在有其他窄帶無線通信系統(tǒng),例如Wi-Max(3.3~3.6 GHz),衛(wèi)星C波段(3.7~4.2 GHz)和W1AN(5.15~5.825 GHz)系統(tǒng)。為了抑制不同系統(tǒng)之間的相互干擾,具有陷波特性的超寬帶天線被廣泛研究。然而,這些文獻(xiàn)中的天線多是只能獲得單阻帶特性。
本文提出了一種具有雙阻帶特性的超寬帶天線。設(shè)計(jì)的無阻帶特性的UWB天線VSWR<2的阻抗帶寬為2.58~12 GHz,,通過在輻射單元上開E型槽和在地板開一對(duì)細(xì)槽,通過調(diào)節(jié)槽的尺寸、寬度和位置實(shí)現(xiàn)覆蓋3.75 GHz處和5.5 GHz處的雙阻帶特性。實(shí)測與仿真結(jié)果吻合較好。
1 天線的設(shè)計(jì)
圖1給出了文中所提出的具有陷波特性的共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線幾何模型。天線的總尺寸為34 mm×25 mm×1.5 mm,較為緊湊。共面波導(dǎo)傳輸線具有50 Ω特性阻抗,與地板間隔0.3 mm,傳輸線寬度2 mm。共面波導(dǎo)傳輸線長度19.5 mm。靠近下緣的矩形貼片為地板,半周期正弦形狀的輻射單元距離地板為gap=0.5 mm。天線制作在相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4、厚度為1.5 mm的低耗FR-4基板上。為了實(shí)現(xiàn)中心頻率在3.75 GHz和5.5 GHz處的陷波特性,在輻射單元上開E型槽和在地板上的一對(duì)細(xì)槽,實(shí)現(xiàn)了雙阻帶特性。
3.75 GHz處的陷波特性由輻射單元上E型槽來實(shí)現(xiàn)。槽總長度約為槽線3.75 GHz工作時(shí)波長的1/2。通過在地板上加載一對(duì)對(duì)稱細(xì)槽,實(shí)現(xiàn)了5.5 GHz處的陷波特性。細(xì)槽距地板邊緣為W1,長度L1約為期望阻帶諧振頻率對(duì)應(yīng)工作波長的1/4。
使用商用軟件Ansofi HFSS v11對(duì)天線的模型進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化,通過調(diào)節(jié)各槽的長度、寬度與位置,最終實(shí)現(xiàn)了具有良好特性的雙阻帶超寬帶天線。表1給出了符合天線設(shè)計(jì)的主要變量參數(shù)組合。圖2是根據(jù)以上設(shè)計(jì)結(jié)果制作的天線模型實(shí)物圖。
2 天線特性分析
天線駐波測量使用WILTRON37269A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。圖3給出了天線電壓駐波比的測量與仿真結(jié)果比較。如圖3所示,天線在UWB頻段內(nèi)的駐波比均<2,對(duì)于帶陷波結(jié)構(gòu)的超寬帶天線測量結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好。但測量結(jié)果較仿真結(jié)果有頻偏,這是由于介質(zhì)板的介電常數(shù)不均勻或加工誤差所造成的,而測量結(jié)果仍滿足天線設(shè)計(jì)的要求,VSWR>2的頻帶范圍在3.25~4.25 GHz和5.1~5.95 GHz的兩個(gè)頻帶內(nèi),覆蓋了3.3~-4.2 GHz和5.15~5.825 GHz兩個(gè)頻帶范圍。
本設(shè)計(jì)對(duì)當(dāng)中對(duì)天線性能影響較重要的參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。主要分析的參數(shù)為輻射單元上的E型槽內(nèi)半徑Rin和地板上的細(xì)槽長度L1分別如圖4和圖5所示??梢钥闯鯮in和L1對(duì)阻帶頻率位置的控制作用,說明通過調(diào)節(jié)槽長度可以得到所需的隔離頻帶。
圖6給出了天線在3.2 GHz,4.5 GHz和7 GHz這3個(gè)頻點(diǎn)的E面(xoz面)和H面(yoz面)仿真遠(yuǎn)場輻射方向圖。圖7給出了該天線在UWB頻率范圍內(nèi)的仿真增益,在阻帶范圍內(nèi)天線的增益明顯下降,體現(xiàn)了天線的阻帶特性。
3 結(jié)束語
提出了一種新型的具有雙阻帶特性的超寬帶天線,制作出實(shí)物天線并成功驗(yàn)證了天線的超寬帶和陷波特性。并在3.1~10.6 GHz的頻帶內(nèi)滿足VSWR<2的寬帶工作要求,而在期望的中心頻率為3.75 GHz和5.5 GHz的頻帶范圍內(nèi)具有良好的陷波特性。該天線的尺寸較小,具有便于電路集成的平面印刷結(jié)構(gòu),因此是一種性能較好、具有實(shí)用價(jià)值的帶陷波超寬帶天線。