張 勇

(廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院, 廣東 廣州510006)

一種具有雙陷波特性單極子超寬帶天線的設(shè)計(jì)

張 勇

(廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院, 廣東 廣州510006)

提出了一種基于C/U形槽、具有雙陷波特性的平面超寬帶單極子印制天線。其天線的組成部分包括橢圓球拍形輻射貼片、微帶饋電線和矩形地板。通過在球拍形輻射貼片蝕刻C形槽、饋電線蝕刻U形槽的方法，使天線在WiMAX(3.3～3.7 GHz)和WLAN(5.15～5.825 GHz)頻段內(nèi)具有雙陷波性能。仿真和測(cè)量結(jié)果表明，這種新型天線在通頻帶(2.5～10.6 GHz)內(nèi)電壓駐波比小于2，在2.9～3.9 GHz和4.9～6.0 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)電壓駐波比大于5，阻帶的頻率可通過蝕刻槽的長(zhǎng)、寬來(lái)調(diào)節(jié)。該天線的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，且尺寸小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)。

超寬帶天線；雙陷波；單極子天線；阻帶

0 引言

隨著高速無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展，特別是美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Committee)在2002年宣布將3.1～10.6 GHz的通信頻段劃歸為超寬帶(Ultra-Wideband)商業(yè)頻段[1]，超寬帶天線作為UWB系統(tǒng)的重要組成部分，因其具有極寬的頻帶、良好的全輻射特性、成本低等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[2]。但是,隨著智能手機(jī)和平板電腦等一系列智能移動(dòng)終端的不斷研究和普及，無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless-Local-Area-Network, WLAN)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[3]，其頻段(5.15～5.825 GHz)正被超寬帶天線的工作頻段所覆蓋；同時(shí)全球微波互聯(lián)接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX,頻段為3.4～3.6 GHz)[4]也在UWB天線的頻帶范圍內(nèi)。因此，其在上述窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)工作頻帶內(nèi)反射系數(shù)較大，即具有陷波功能，從而能夠抑制與超寬帶系統(tǒng)之間的潛在干擾，使超寬帶陷波天線逐漸被廣泛研究和發(fā)展。

超寬帶陷波天線理論首先由SCHANTZ H G等人[5]于2003年提出，為了實(shí)現(xiàn)雙陷波特性所采用的多種結(jié)構(gòu)[6-7]等，添加C形寄生元素[8]，開口諧振(Split-Ring-Resonator)[9]，在輻射貼片或地板上蝕刻U形槽和E形槽[10-12]，電磁帶隙結(jié)構(gòu)(Electromagnetic Band Gap Structures)[13-14]。但是，單個(gè)共振結(jié)構(gòu)也可以產(chǎn)生多重陷波功能，不足的是這種天線的尺寸較大(50 mm×80 mm[15])，設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本也較高。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎、簡(jiǎn)單且尺寸較小的平面超寬帶陷波天線，使用在球拍形輻射貼片上蝕刻一個(gè)C形槽和在微帶饋電線上蝕刻一個(gè)U形槽的方法，來(lái)產(chǎn)生滿足WiMAX(3.3～3.7 GHz)和WLAN(5.15～5.825 GHz)頻段的雙陷波特性；并且，可以通過改變蝕刻槽的長(zhǎng)、寬等參數(shù)來(lái)調(diào)整雙陷波頻帶。

1 天線的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理

圖1 天線的結(jié)構(gòu)

圖1為該天線的結(jié)構(gòu)示意圖。天線介質(zhì)基板的尺寸為36 mm×36 mm×1.6 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切tanδ=0.02。天線的輻射貼片由特性阻抗值為50 Ω，長(zhǎng)為14 mm的微帶線饋電。WiMAX和WLAN的陷波頻段能夠由下列兩個(gè)公式計(jì)算得出：

(1)

(2)

c代表真空中的光速，εr表示相對(duì)介電常數(shù)，B=2L1+2W1、S=S2+S3+S4+S5+S6+S7+S8，L1、L2、L3、W1和Z3分別是C形槽中矩形條和圓弧槽的長(zhǎng)、寬度，S1表示C形槽中橫向矩形條的寬度，S2～S8和Z1則分別代表饋電線上U形槽長(zhǎng)、寬。本文選擇商業(yè)仿真軟件HFSS 15.0進(jìn)行天線尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。超寬帶天線以及在天線上蝕刻的C形槽和U形槽的最優(yōu)尺寸如下所示：a=10 mm，b=8 mm，L= 14 mm，Z1=0.29 mm，Z2=4.71 mm，Z3=0.76 mm，L1=7.75 mm，L2=6.79 mm，L3=7.25 mm，L4=4.56 mm，W1=6.5 mm，S1=0.6 mm，S2=0.61 mm，S3=2.3 mm，S4=0.43 mm，S5=1.2 mm，S6=0.6 mm，S7=3.8 mm，S8=0.28 mm，Wgnd=12.5 mm，Lgnd=36 mm。

2 天線的陷波特性研究

使用商業(yè)仿真軟件HFSS 15.0對(duì)影響天線陷波性能的關(guān)鍵參數(shù)包括C形槽長(zhǎng)度L1和W1以及U形槽的長(zhǎng)、寬度S2、S3、S6、S7進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以便更加詳細(xì)地說明輻射體上蝕刻C形槽和饋電線上蝕刻U形槽的尺寸參數(shù)對(duì)該天線陷波特性的影響規(guī)律。

加入C形槽和U形槽前后天線的仿真結(jié)果對(duì)比圖如圖2所示?？梢?，該天線在3.4～3.7 GHz和5.3～5.8 GHz兩個(gè)頻段具有良好的陷波特性。

圖2 加入C形槽和U形槽前后天線的仿真對(duì)比結(jié)果

從圖3中可以看出，輻射體上蝕刻的C形槽使得天線在WiMAX頻段反射系數(shù)增大，產(chǎn)生陷波特性。圖3(a)表明，C形槽的長(zhǎng)度L1越長(zhǎng)，相應(yīng)陷波中心頻率越高，電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio)也增大，但陷波頻帶也擴(kuò)大。圖3(b)則表明隨著弧形槽長(zhǎng)度W1的增大，天線的第一個(gè)陷波頻段逐漸向低頻段平移，電壓駐波比也有所增大。因此，可以通過調(diào)節(jié)L1、W1來(lái)實(shí)現(xiàn)不同頻段上的陷波功能。

圖4表示U形槽的尺寸參數(shù)對(duì)天線在WLAN頻段電壓駐波比的影響。從圖4可以看出，隨著微帶饋電線上的U形槽的參數(shù)S2、S6和S7的增大，天線的第二個(gè)陷波頻段的中心頻率逐漸向低頻段平移。圖4(b)表明隨著U形槽的參數(shù)S3的增大，第二個(gè)陷波頻段的中心頻率逐漸向高頻移動(dòng)。

圖3 C形槽參數(shù)對(duì)天線電壓駐波比的影響

因此，可以調(diào)節(jié)參數(shù)S2、S3、S6和S7來(lái)達(dá)到所需要抑制的頻率點(diǎn)，從而優(yōu)化天線高頻端的駐波特性。

圖4 U形槽參數(shù)對(duì)天線駐波比的影響

從圖3和圖4可得，該天線中單一C形槽或U形槽物理尺寸的變化沒有使兩個(gè)槽同時(shí)存在時(shí)所產(chǎn)生的兩個(gè)陷波頻段發(fā)生較大的偏移，這兩個(gè)陷波頻段具有較高的隔離度。因此，可以通過調(diào)節(jié)C形槽和U形槽的具體尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制超寬帶通信頻帶內(nèi)兩個(gè)窄帶通信系統(tǒng)(WiMAX和WLAN)頻率點(diǎn)干擾信號(hào)的目的，這大大提升了該天線設(shè)計(jì)的靈活性和使用需求。

3 天線的實(shí)物測(cè)量結(jié)果和分析

基于圖1所示天線的結(jié)構(gòu)，對(duì)該天線進(jìn)行了實(shí)物制作，圖5為該超寬帶陷波天線的實(shí)物照片。利用安捷倫公司型號(hào)為E5071C的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer)對(duì)天線的電壓駐波比進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并與HFSS 15.0的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖5 超寬帶陷波天線的實(shí)物圖

圖6 仿真和測(cè)量對(duì)比結(jié)果

從圖6可以看出，該天線在頻段2.75～10.98 GHz內(nèi)電壓駐波比小于2，符合超寬帶天線的工作頻段。其在2.9～3.9 GHz和4.9～6.0 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)的電壓駐波比大于5，具有陷波特性。且這兩個(gè)陷波頻段包含了WiMAX 3.3～3.7 GHz 和WLAN 5.15～5.825 GHz頻段，能夠有效抑制這兩個(gè)工作頻段的干擾。從圖(6)中可以得出，該天線的軟件仿真與實(shí)物測(cè)量結(jié)果基本吻合，但在WLAN窄帶通信系統(tǒng)頻帶處存在一定的誤差。造成誤差的原因可能是蝕刻C/U形槽和剪裁天線基板(FR-4)過程中的加工誤差以及SMA高頻同軸接頭的焊接問題等其他客觀因素。

圖7和圖8分別表示超寬帶陷波天線在3.3 GHz和5.5 GHz這兩個(gè)頻率點(diǎn)得到的平面和三維歸一化輻射方向圖。由圖可得，該天線在E面(yoz面)近似于“8”字形，類似于偶極子天線，而在H面(xoz面)的輻射方向圖則表明天線在整個(gè)超寬帶工作頻帶內(nèi)具有近乎等幅和全向，符合超寬帶天線在工作帶寬內(nèi)輻射方向一致性的要求。

圖7 天線在3.3 GHz和5.5 GHz的E面和H面的輻射方向圖

圖8 天線在3.3 GHz和5.5 GHz三維輻射方向圖

圖9 天線在3.3 GHz和5.5 GHz的模擬電流分布

為了更好地說明所述天線中C/U形狀槽的輻射原理，對(duì)在不同頻率下的電流分布進(jìn)行模擬仿真。如圖9所示，選取3.3 GHz和5.5 GHz這兩個(gè)頻率點(diǎn)，進(jìn)行天線表面輻射體上電流分布的模擬仿真?？梢郧宄乜吹?，天線表面的電流分布主要集中在C/U形槽的中下部，而在輻射貼片上的電流是微弱的。因此，可以表明，正是因?yàn)檫@種C/U形槽使得天線在3.3 GHz和5.5 GHz左右的頻帶輻射效率降低，呈現(xiàn)較大的反射系數(shù)，從而產(chǎn)生了所需的陷波特性。

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種新穎的平面超寬帶陷波天線，與參考文獻(xiàn)相比，該天線尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有便于電路集成和生產(chǎn)的平面印制結(jié)構(gòu)。通過在天線的球拍形輻射貼片上蝕刻C形槽和在微帶饋電線上蝕刻U形槽的方法，實(shí)現(xiàn)了抑制WiMAX和WLAN這兩個(gè)窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)與UWB系統(tǒng)之間的潛在干擾的功能。使用商業(yè)電磁仿真軟件HFSS 15.0論證了輻射貼片上C形槽和微帶饋電線上U形槽的尺寸參數(shù)對(duì)天線陷波特性的影響規(guī)律，并實(shí)際制作和測(cè)量了該款天線，其實(shí)物測(cè)量的結(jié)果與軟件仿真基本一致。該天線同時(shí)具有成本低、性能穩(wěn)定、工程實(shí)用價(jià)值高以及在極寬的頻帶具有良好的等幅、全向輻射特性，因此可作為UWB系統(tǒng)中超寬帶陷波天線的設(shè)計(jì)方案。

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Stratasys攜手新的渠道合作伙伴進(jìn)一步開拓中國(guó)3D打印市場(chǎng)

上海2016年1月12日電 3D 打印和增材制造解決方案的全球領(lǐng)導(dǎo)者 Stratasys Ltd.(納斯達(dá)克代碼：SSYS)中國(guó)分公司今天宣布與兩家領(lǐng)先企業(yè)—— 杭州先臨三維科技股份有限公司(先臨三維)和北京億達(dá)四方信息技術(shù)有限公司(億達(dá)四方)正式開啟合作伙伴關(guān)系，進(jìn)一步開拓中國(guó)本地市場(chǎng)。通過此次合作，Stratasys旨在擴(kuò)展其專業(yè)的3D打印解決方案，更好地滿足該地區(qū)各個(gè)行業(yè)日益增長(zhǎng)的3D打印需求，并為客戶提供更佳的技術(shù)支持和服務(wù)。

先臨三維和億達(dá)四方都有十多年面向工業(yè)機(jī)械、工程技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)和教育等行業(yè)，推廣創(chuàng)新3D打印產(chǎn)品和數(shù)字生產(chǎn)解決方案的經(jīng)驗(yàn)。他們于2016年正式加入Stratasys的渠道網(wǎng)絡(luò)，在中國(guó)授權(quán)區(qū)域代理Stratasys全面專業(yè)的3D打印解決方案，包括3D打印設(shè)備、材料、3D打印零部件和售后支持。兩家企業(yè)自2016年起成為Stratasys中國(guó)授權(quán)區(qū)域代理商，進(jìn)一步夯實(shí)Stratasys在中國(guó)市場(chǎng)的步伐，拓寬商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，升級(jí)客戶服務(wù)。

(Stratasys Ltd. 供稿)

A design of ultra-wideband antenna with double band-notched characteristic

Zhang Yong

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

A design of ultra-wideband printed antenna with double band-notched characteristic based on C/U shaped slots is presented. The antenna is composed of an elliptical radiation patch, a microstrip line feeding and rectangular ground. By etching a C shaped slot on the radiation patch and an U slot on the feed line, dual notched frequency bands are from 3.3 GHz to 3.7 GHz for WiMAX and from 5.15 GHz to 5.825 GHz for WLAN. Simulated and measured results show that the antenna has an available passband from 2.5 GHz to 10.6 GHz which covers the UWB frequency band, and the voltage standing wave ratio greater than 5 from 2.9 GHz to 3.9 GHz meanwhile 4.9 GHz to 6.0 GHz rejection bands. Moreover, the frequency of the stopband can be adjusted by the length and width of etching slots. The simulation and measurement of this antenna is consistent well. This antenna features are small size, simple structure, low cost, etc., and it can be used in ultra-wideband communication systems.

ultra-wideband antenna; double band-notched; monopole antenna; stopband

TN86

A

1674-7720(2016)02-0028-04

張勇. 一種具有雙陷波特性單極子超寬帶天線的設(shè)計(jì)[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(2)：28-31,38.

2015-10-30)

張勇(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：天線和射頻技術(shù)。