摘要:設(shè)計(jì)了一款微帶饋電的具有3.4/5.5 GHz雙阻帶特性的圓盤單極子天線。由于采用具有缺陷結(jié)構(gòu)的地板,天線具有良好的阻抗特性。在2.38~15 GHz的頻帶內(nèi)電壓駐波比VSWR≤2,可以同時(shí)覆蓋WLAN(2.4 GHz)和UWB(3.1~10.6 GHz)。同時(shí)引入雙矩形諧振槽,實(shí)現(xiàn)在WiMAX(3.4 GHz)和WLAN(5.2/5.8 GHz)的雙阻帶。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配良好,具有一定的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞:超寬帶;雙阻帶;單極子
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),受到越來越多的關(guān)注。自2002年,美國聯(lián)邦通信委員會(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,國內(nèi)外學(xué)者對此進(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:在天線上采用對稱倒L型槽,圓環(huán)形槽,H型槽以及縫隙型的SRR結(jié)構(gòu)來產(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,沒有完全克服WLAN和WiMAX頻段的干擾。
為了解決上述問題,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對天線進(jìn)行仿真,并詳細(xì)分析了天線尺寸參數(shù)對天線性能的影響。
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。
圓盤的半徑為R=10 mm。為了引入雙阻帶,在圓盤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。矩形槽的長度在很大程度上決定了阻帶的中心頻率。外槽的尺寸為L1,L2和W1,內(nèi)槽的尺寸為LL1,LL2和W2。在內(nèi)矩形槽的兩臂上有兩個(gè)對稱枝節(jié),其長度為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對天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化。優(yōu)化后的天線尺寸為L1=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對天線進(jìn)行仿真,用安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的電壓駐波比。測量和仿真的電壓駐波比如圖3所示??梢钥闯?,測量和仿真結(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,在圓盤單極子天線的矩形槽中引入第2個(gè)矩形槽,其尺寸為LL1=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適當(dāng)?shù)母淖冸p矩形槽的尺寸來獲得。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。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。圖15表明,LL1對天線的第二阻帶的帶寬具有重要影響。因此,雙矩形槽的尺寸對改變天線阻帶的位置和阻帶帶寬具有重要的意義。通過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較小。
3 結(jié)束語
設(shè)計(jì)并制作了一副緊湊的印刷圓盤單極子超寬帶天線,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)場輻射方向圖表現(xiàn)出良好的特性。仿真和測量結(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。