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具有五陷波的超寬帶天線設(shè)計(jì)

2024-07-20 00:00:00彭力南敬昌楊清淞王藝扉
無線電工程 2024年5期

摘 要:設(shè)計(jì)了一款具有五陷波特性的小型化超寬帶天線,通過改變陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)和分析天線表面的電流分布,研究了陷波結(jié)構(gòu)對超寬帶及陷波特性的影響。天線尺寸僅為25 mm×20 mm×1 mm。輻射貼片由矩形和圓形貼片組成,背板通過切角挖槽實(shí)現(xiàn)了超寬帶特性;添加對稱鉤型枝節(jié),蝕刻U 型槽及3 類U 型槽產(chǎn)生5 個(gè)陷波。天線的工作帶寬在3. 8 ~ 16 GHz。有效抑制了國際衛(wèi)星波段(4. 5 ~ 4. 8 GHz)、WLAN 下行波段(5. 15 ~ 5. 35 GHz)、UNII-2c (5. 47 ~ 5. 725 GHz)、WLAN 上行波段(5. 725 ~ 5. 825 GHz)、下行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段(7. 25 ~ 7. 75 GHz)、上行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段(7. 9 ~ 8. 4 GHz)、國際電信聯(lián)盟頻段(8. 01 ~ 8. 50 GHz) 的干擾。天線在工作頻帶內(nèi)具有全向性,增益平均在4 dBi 以上。仿真和實(shí)測結(jié)果基本吻合,表明該天線可用于超寬帶通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:超寬帶天線;五陷波;U 型槽;鉤形枝節(jié);全向性

中圖分類號:TN823+. 24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID):

文章編號:1003-3106(2024)05-1270-07

0 引言

2002 年美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communi-cations Commission,FCC)通過了允許將超寬帶技術(shù)劃分3. 1 ~ 10. 6 GHz 的工作頻帶用于民用通信規(guī)范[1]。近年來,隨著移動(dòng)通信、雷達(dá)和天線陣列等領(lǐng)域的快速發(fā)展,超寬帶通信系統(tǒng)已成為迫切需求的通信技術(shù)之一。超寬帶通信系統(tǒng)要求天線具有超寬的工作頻帶和全向輻射的特性,以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸和高精度測量等應(yīng)用需求。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,通信頻段經(jīng)常會受到干擾信號的影響,因此天線的陷波能力也成為設(shè)計(jì)超寬帶天線的必要功能之一。

為了克服這一問題,2003 年,美國的Schantz等[2]提出了一種方法,通過在超寬帶天線的結(jié)構(gòu)上引入陷波結(jié)構(gòu)最終得到了超寬帶陷波天線。通過在天線的正面刻蝕槽路或者添加枝節(jié)等方法使得天線產(chǎn)生了陷波。例如吳愛婷等[3]在天線正面刻蝕U 型槽和引入L 型枝節(jié)來實(shí)現(xiàn)三陷波特性。李睿等[4]在天線微帶線引入U 形枝節(jié)來實(shí)現(xiàn)三陷波。大多數(shù)文獻(xiàn)的天線尺寸較大,多數(shù)為二陷波或者單陷波。針對當(dāng)前超寬帶天線設(shè)計(jì)中存在的部分問題,本文提出了一款小型化五陷波超寬帶天線,天線的大小僅為25 mm×20 mm×1 mm。通過在天線表面添加了對稱的鉤型枝節(jié)、4 個(gè)改造的U 型槽、,最終實(shí)現(xiàn)4. 5 ~4. 8 GHz、5. 0 ~5. 4 GHz、5. 5 ~6. 3 GHz、7. 2 ~ 7. 7 GHz、7. 9 ~ 8. 6 GHz 的天線陷波特性,免除了7 個(gè)頻段的干擾,對設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行實(shí)物制作,并通過矢量分析儀對天線的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測量。將所測得數(shù)據(jù)與實(shí)物進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)基本吻合,呈現(xiàn)良好的全向性和輻射特性。

1 天線設(shè)計(jì)

1. 1 超寬帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的一種小型化超寬帶陷波天線采用Rogers RT / duroid 5880 材料為介質(zhì)基板,其介電常數(shù)εr = 2. 2、厚度為1 mm。本文中天線使用長度為Lf、寬度為Wf 的50 Ω 的微帶線進(jìn)行饋電。在正面貼片添加多個(gè)矩形槽,進(jìn)一步提高了天線的帶寬和匹配特性。天線正面的改進(jìn)過程如圖1 所示。圖1(a)為天線基礎(chǔ)形,在此基礎(chǔ)上添加多個(gè)矩形得到圖1 (b),在其基礎(chǔ)上添加半圓形得到最終天線正面輻射貼片形狀圖1(c)。

不同天線正面結(jié)構(gòu)對應(yīng)的S11 如圖2 所示??梢钥闯?,隨著天線正面輻射貼片形狀的改變,在保證匹配性能良好的同時(shí)有效拓展了天線帶寬[5]。

在背面輻射貼片中部截取一個(gè)長矩形,在其兩側(cè)截取一個(gè)對稱的矩形和三角形,底板中部矩形兩邊再刻蝕一個(gè)矩形槽后,添加了2 個(gè)對稱的矩形貼片。通過對底板的修改,進(jìn)一步擴(kuò)大了天線的工作帶寬,最終實(shí)現(xiàn)了3. 8 ~ 16 GHz 的超寬帶特性。

超寬帶天線的結(jié)構(gòu)如圖3 所示,介質(zhì)板的長、寬分別為L、W。在長L5 、寬W5 的矩形貼片上添加了長分別為L4 、L3 、L2 、L1 , 對應(yīng)寬分別為W4 、W3 、W2 、W1 的4 個(gè)矩形貼片;又添加了一個(gè)半徑為R 的金屬貼片,完成了天線正面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。天線背板原型長為Lg、寬為Wg 的矩形貼片,在原型的基礎(chǔ)上,從矩形貼片中心截取了一個(gè)矩形,又添加了2 個(gè)對稱的小矩形貼片,在底板兩邊截?。?個(gè)對稱的矩形和三角形。天線的帶寬得到了進(jìn)一步提高。最終完成了天線背面的設(shè)計(jì)。天線的正反面結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

1. 2 陷波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中,通信頻段經(jīng)常會受到干擾信號的影響,因此天線的陷波能力也成為設(shè)計(jì)超寬帶天線的必要功能之一。超寬帶天線陷波功能的實(shí)現(xiàn)手段大概有2 種:槽線法和添加枝節(jié)法。本文采用了槽線法和添加枝節(jié)法來使得超寬帶具備陷波特性。槽線法長度估算如下:

式中:f 為陷波中心頻率,c 為光速。U 型槽、類U 型槽總長度La、Lb 分別為:

La = W6 + W7 × 2 + L6 × 2, (2)

Lc = W6 + W8 + (L7 + W9 + L8 )× 2。(3)

天線陷波結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

本文利用槽線法,在天線正面添加了一個(gè)U 型槽,3 個(gè)經(jīng)過改造的U 型槽。天線頂端的U 型槽,產(chǎn)生了一個(gè)可以抑制國際衛(wèi)星波段(4. 50 ~ 4. 80 GHz)[6]的陷波。頂部U 型槽下面的第一個(gè)槽路使天線產(chǎn)生了WLAN 下行波段(5. 15 ~ 5. 35 GHz)[7]的陷波。微帶線的上部的槽路使得天線產(chǎn)生了X 波段下行通信信號(7. 25 ~ 7. 75 GHz)[8]的陷波,微帶線中部的槽路解決了UNII-2c (5. 470 ~ 5. 725 GHz)[9]、WLAN 上行波段(5. 725 ~ 5. 825 GHz)2 個(gè)窄波頻段的干擾。在天線正面刻蝕了4 個(gè)槽路,使得該天線可以避免5 個(gè)頻段對其干擾。隨后利用添加枝節(jié)法,在微帶線兩邊添加對稱的鉤型枝節(jié)以使得天線在上行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段(7. 9 ~ 8. 4 GHz)[10]、國際電信聯(lián)盟(8. 01 ~ 8. 50 GHz)[11]產(chǎn)生陷波,能夠避免這2 個(gè)波段對天線帶來的干擾。通過槽線法和添加枝節(jié)法完成了陷波天線[12],使得天線在5 個(gè)頻段內(nèi)具有陷波,避免了7 個(gè)波段對天線帶來的干擾。

2 仿真分析

2. 1 背板結(jié)構(gòu)對天線性能的影響

超寬帶天線參數(shù)如表1 所示。

未加入陷波結(jié)構(gòu)前,底板結(jié)構(gòu)的改變極大程度上影響著天線的諧振特性和阻抗匹配特性[13]。超寬帶天線底板結(jié)構(gòu)演變?nèi)鐖D5 所示。不同結(jié)構(gòu)接地板天線的S11 如圖6 所示。

步驟1 中底板為一個(gè)矩形貼片,其在4. 0 ~4. 8 GHz 和12 ~ 15 GHz 的頻段S11 高于-10 dB;步驟2 在矩形中部開一個(gè)矩形槽,然后又在開槽后的矩形上添加2 個(gè)對稱的矩形貼片,使得天線S11 在4. 0 ~ 4. 8 GHz 和12 ~ 15 GHz 的頻段低于-10 dB;在步驟3 中,通過在兩側(cè)開矩形槽,進(jìn)一步提高了天線總體的S11;步驟4 在3. 8 ~ 15 GHz 整個(gè)頻段內(nèi)的S11 明顯小于-10 dB。該底板結(jié)構(gòu)能夠有效改善天線特性。

2. 2 天線陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

在天線頂端嵌入一個(gè)U 型槽。圖7 為不同U型槽橫向長度W7 對應(yīng)得回波損耗??梢钥闯?,當(dāng)W7 從6. 1 mm 增加到6. 3 mm ,陷波中心略向低頻移動(dòng)。W7 為6. 2 mm 時(shí),天線S11 在4. 45 ~ 4. 86 GHz高于-10 dB,在陷波中心頻率達(dá)到- 1. 4 dB。

在頂端的U 型槽下嵌入了一個(gè)類U 型槽,圖8為不同類U 型槽縱向長度L8 對應(yīng)的回波損耗??梢钥闯觯莶ㄖ行念l率隨著長度的增加而向低頻移動(dòng),而對前一個(gè)4. 5 ~ 4. 8 GHz 的陷波沒有很大變化,當(dāng)L8 為2. 4 mm 時(shí)陷波頻段覆蓋WLAN 下行波段且S11 高于-10 dB,效果最佳。

在類型槽下面嵌入一個(gè)凸型類U 型槽,圖9 為部同凸型類U 型槽橫向長度W10 對應(yīng)的回波損耗??梢钥闯?,隨著W10 的增加,陷波中心頻率點(diǎn)發(fā)生左移,而前2 個(gè)陷波幾乎沒變化。當(dāng)W10 為1. 8 mm時(shí),S11 在7. 22 ~ 7. 99 GHz 高于-10 dB 且覆蓋了下行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段,效果良好。

在微帶線上嵌入一個(gè)凹型類U 型槽后,圖10為不同凹型類U 型槽縱向長度L10 對應(yīng)的S11 。陷波中心頻率隨著長度的增加而向低頻移動(dòng),當(dāng)L10為5 mm 時(shí)陷波頻段覆蓋UNII2c、WLAN 上行波段頻段且在5. 3 ~ 6. 01 GHz 的S11 高于-10 dB,效果最佳。

在正面貼片刻蝕了4 個(gè)槽路后,為了進(jìn)一步研究天線陷波結(jié)構(gòu)的改變對天線性能的影響。選擇在天線微帶線兩邊添加對稱的鉤型枝節(jié)來實(shí)現(xiàn)天線的五陷結(jié)構(gòu)。不同L12 對應(yīng)的S11 曲線如圖11 所示。

由圖11 可以看出,隨著枝節(jié)的長度L12 從5. 9 mm增加到6. 1 mm,陷波中心頻率隨著長度的增加而向低頻移動(dòng),當(dāng)L12 為6 mm 時(shí),陷波在7. 9 ~ 8. 8 GHzS11 高于-10 dB 且覆蓋上行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段、國際電信聯(lián)盟頻段的干擾,此時(shí)效果最佳。

為了驗(yàn)證各個(gè)陷波結(jié)構(gòu)之間的相互獨(dú)立性,圖12 給出了該天線在未引入陷波結(jié)構(gòu)和分別引入不同陷波結(jié)構(gòu)后對應(yīng)的S11 曲線,可以看出,5 個(gè)陷波結(jié)構(gòu)之間的干擾是由于互耦作用產(chǎn)生的,實(shí)際上相互獨(dú)立。

輸入阻抗是與饋線相連的天線輸入端口的阻抗,圖13 為天線阻抗的仿真結(jié)果??梢钥闯觯冢矗?65、5. 25、5. 9、7. 45 GHz 左右輸入阻抗實(shí)部大于50 Ω,阻抗虛部也大于0 Ω,天線在該波段發(fā)生并聯(lián)諧振,呈現(xiàn)開路狀態(tài)。

2. 3 天線輻射特性原理和輻射特性分析

為了更好地了解天線的陷波原理,確定各槽路與對應(yīng)陷波頻率的關(guān)系,對天線的表面電流進(jìn)行仿真[14],圖14 為5 個(gè)陷波中心頻率所對應(yīng)的天線表面電流分布情況。

第一個(gè)U 型槽主要聚集了4. 65 GHz 的電流,而第二個(gè)改變的U 型槽主要聚集了5. 25 GHz 處的電流;在5. 9 GHz 的電流主要集中在微帶線中間的槽路;在其上方主要聚集了7. 45 GHz 處的電流;添加的L 型枝節(jié)聚集了8. 35 GHz 的電流,不同頻的電流在上面5 處位置匯聚,因此產(chǎn)生了陷波。

3 天線實(shí)測結(jié)果與性能分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)天線的性能指標(biāo),對天線進(jìn)行了實(shí)物制作,天線實(shí)物如圖15 所示。仿真與實(shí)物制作存在一定的誤差。仿真和實(shí)測的S11 如圖16所示。天線方向圖的仿真和實(shí)測如圖17 所示。

由圖16 和圖17 可以看出,天線實(shí)物與仿真結(jié)果較為吻合。圖16 顯示在4. 5 ~4. 8 GHz、5. 0 ~5. 4 GHz、5. 5 ~ 6. 3 GHz、7. 2 ~ 7. 7 GHz、7. 9 ~ 8. 6 GHz 五處具有良好的陷波特性。圖17 顯示天線在低頻與中頻具有良好的方向性,高頻發(fā)生形變。方向性較為良好。天線增益如圖18 所示。

由圖18 可以看出,天線實(shí)測與仿真曲線相似,增益較為平緩,有5 個(gè)明顯陷波,具有良好的輻射特性和陷波特性。

本文天線與文獻(xiàn)中天線對比如表2 所示??梢钥闯觯疚奶炀€相對于其他天線,具有尺寸小、工作帶寬大的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語

通過分析和研究,設(shè)計(jì)了一種小型化五陷波超寬帶天線,在天線的正面輻射貼片引入經(jīng)過槽路和在微帶線兩邊添加對稱的鉤形枝節(jié)來使得天線具有五陷波特性。由仿真結(jié)果可知,該天線在國際衛(wèi)星波段、WLAN 下行波段、UNII-2c、WLAN 上行波段、下行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段、上行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段和國際電信聯(lián)盟7 個(gè)頻段內(nèi)具有良好陷波,且方向性良好,工作帶寬滿足超寬帶天線的設(shè)計(jì)需求,能用于實(shí)際生活。在未來發(fā)展中,可以通過對本文提出的超寬帶天線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷創(chuàng)新和完善,進(jìn)一步提高天線的陷波性能和通信性能,以更好地滿足通信系統(tǒng)的需求。

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作者簡介

彭 力 男,(2001—)。主要研究方向:通信系統(tǒng)與仿真。

(*通信作者)南敬昌 男,(1971—),博士,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:智能射頻電路與器件、多媒體信息編碼和通信系統(tǒng)仿真等。

楊清淞 男,(2002—)。主要研究方向:通信系統(tǒng)與仿真。

王藝扉 男,(1996—),碩士,講師。主要研究方向:可重構(gòu)天線級超寬帶測距。

基金項(xiàng)目:國家基金項(xiàng)目(6197121)

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