姜兆能, 李曉陽, 瞿 晨, 孫 芳, 闞運(yùn)鵬

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 信息工程系,安徽 宣城 242000; 2.東南大學(xué) 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210096)

一種新型八邊形可控雙陷波天線的分析與設(shè)計(jì)

姜兆能1,2, 李曉陽1, 瞿 晨1, 孫 芳1, 闞運(yùn)鵬1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 信息工程系,安徽 宣城 242000; 2.東南大學(xué) 毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210096)

文章提出了一種新型貼片八邊形可控的雙陷波天線,該天線采用了八邊形貼片作為輻射單元,通過在微帶饋線上嵌入型枝節(jié)諧振結(jié)構(gòu)來形成陷波特性,從而限制某些頻段的信號對超寬帶通信系統(tǒng)的影響。通過調(diào)整枝節(jié)諧振結(jié)構(gòu)的長度,可以改變陷波頻段中心頻點(diǎn)的位置,從而實(shí)現(xiàn)超寬帶天線的陷波頻段可調(diào),為超寬帶天線在不同頻段進(jìn)行陷波應(yīng)用提供便利。

貼片天線;雙陷波;諧振結(jié)構(gòu);可控;八邊形

0 引 言

微帶貼片天線[1-2]在一個(gè)薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，它采用微帶貼片作為輻射源,一般在100 MHz～100 GHz頻率范圍內(nèi),其饋電方式靈活,已廣泛應(yīng)用于各種無線電設(shè)備中。微帶天線具有許多優(yōu)點(diǎn),比如占用空間較小,天線本身高度很低,容易與工作表面共形;由于微帶天線采用了印刷電路板技術(shù),天線加工成本低,方便大規(guī)模制造。因此,超寬帶貼片天線成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。同時(shí),為了避免如WiMax 和WLAN 等窄帶通信系統(tǒng)對超寬帶通信系統(tǒng)的影響,對某些頻段的陷波特性研究也是目前的熱點(diǎn)話題。陷波特性根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在2002年規(guī)定的超寬帶通信頻段為3.1～10.6 GHz,傳統(tǒng)的陷波頻段范圍在3.4～3.36 GHz和5.15～5.825 GHz。隨著日前通信設(shè)備水平的不斷提高,人們所需不同波段的陷波要求越來越多。因此,盡可能地實(shí)現(xiàn)陷波頻段可控顯得越來越重要。目前常見的實(shí)現(xiàn)陷波特性的結(jié)構(gòu)有采用寬槽結(jié)構(gòu)[3-4]、類SRR結(jié)構(gòu)[5-7]、在貼片上加諧振結(jié)構(gòu)[8]、在輻射結(jié)構(gòu)上增加縫隙結(jié)構(gòu)[9]等。這類解決方法簡單、成本低廉、操作容易,因此具有重要的研究價(jià)值。

本文研究了一種新型貼片八邊形可控雙陷波天線,采用八邊形貼片作為輻射單元。通過增加嵌入型枝節(jié)開路槽諧振結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)雙陷波特性；通過改變槽的長度來改變陷波頻段中心頻點(diǎn)的位置，從而可以實(shí)現(xiàn)陷波頻段可控。

1 八邊形天線的結(jié)構(gòu)

超寬帶八邊形天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示,天線的輻射單元由八邊形單極子結(jié)構(gòu)構(gòu)成,采用了矩形加1/4圓切角的接地板,饋電線到輻射單元采用矩形長條結(jié)構(gòu),天線采用50 Ω同軸轉(zhuǎn)接頭饋電。該超寬帶天線的設(shè)計(jì)思路參考文獻(xiàn)[10],通過這樣的設(shè)計(jì)可以使得天線的帶寬非常寬。介質(zhì)板選用厚度為2 mm的FR4環(huán)氧樹脂(FR4-expoxy)板,介電常數(shù)εr=4.4,貼片都采用理想導(dǎo)體貼片。在八邊形的中心加載開口圓環(huán)槽用于改善天線的帶寬。根據(jù)HFSS軟件仿真的八邊形天線結(jié)構(gòu)的駐波圖如圖2所示,由圖2可以看出,天線的駐波比(VSWR)在2～14 GHz頻段內(nèi)小于2,相對帶寬達(dá)到150%。天線的具體尺寸見表1所列。

圖1 八邊形天線結(jié)構(gòu)

圖2 八邊形天線結(jié)構(gòu)的駐波圖

表1 天線尺寸 m

2 仿真結(jié)果分析

2.1 陷波頻段中心頻點(diǎn)的位置可控分析

在微帶饋電線上嵌入一個(gè)開路槽諧振器,如圖3所示,超寬帶天線具備了陷波特性,從而能避免來自WiMax以及WLAN系統(tǒng)的信號干擾。開路槽諧振器的尺寸見表2所列。經(jīng)過對開路槽諧振結(jié)構(gòu)長度的調(diào)整,改變陷波頻段中心頻點(diǎn)的位置,可以實(shí)現(xiàn)不同頻段系統(tǒng)信號的限制。陷波頻段的中心頻率隨諧振結(jié)構(gòu)長度的變化如圖4所示,改變諧振器長度L6的大小,單波的中心頻率會隨著長度的變化而移動(dòng),從而達(dá)到陷波頻段可控的效果。

圖3 單陷波天線和開路槽諧振器結(jié)構(gòu)

表2 單陷波天線的開路槽諧振器結(jié)構(gòu)尺寸 mm

圖4 陷波頻段的中心頻率隨諧振結(jié)構(gòu)長度的變化

2.2 雙陷波特性的情況分析

在天線的工作頻帶內(nèi),很可能會受到多個(gè)信號的干擾,這就要求天線具有多個(gè)陷波的功能。本文給出了天線帶寬內(nèi)2個(gè)陷波的情況。通過對圖3中諧振結(jié)構(gòu)添加1個(gè)支節(jié),如圖5所示,從而得到雙陷波的特性。開路槽諧振器的尺寸見表3所列。雙陷波天線的駐波值如圖6所示,駐波比在3.7～4.2 GHz 和7.7～8.5 GHz 2個(gè)頻段內(nèi)明顯大于3,阻止了信號通過,可以看出很好地限制了2個(gè)頻段內(nèi)的信號干擾。

圖5 添加1個(gè)支節(jié)的雙陷波天線結(jié)構(gòu)和開路槽諧振器結(jié)構(gòu)

表3 雙陷波天線的開路槽諧振器結(jié)構(gòu)尺寸 mm

圖6 雙陷波天線的駐波值

2.3 天線的增益圖

天線的增益隨頻率變化的曲線如圖7所示。

圖7 天線的增益隨頻率變化的曲線

從圖7中可以看出,天線在3.7～4.2 GHz 和7.7～8.5 GHz 2個(gè)頻段內(nèi)的峰值增益出現(xiàn)了陡降現(xiàn)象,這一現(xiàn)象更進(jìn)一步證明所設(shè)計(jì)天線對于以上2個(gè)頻段的電磁波具有良好的帶阻陷波效果,降低了對其電磁波的輻射能力,而在超寬帶通信系統(tǒng)工作的其他頻段內(nèi),則具有2.8 dB以上的穩(wěn)定的輻射增益。

3 結(jié) 論

本文提出一種具有陷波可控的超寬帶八邊形天線,通過添加開路槽諧振結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)陷波特性。經(jīng)過對槽諧振結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整,改變陷波頻段中心頻點(diǎn)的位置,可以滿足不同頻段系統(tǒng)信號的限制要求。通過仿真結(jié)果可以看出,該天線除了具有良好的陷波特性外,在輻射方向性上也表現(xiàn)出色。根據(jù)本文的方法,可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)及更多頻段陷波,整個(gè)陷波過程對天線的整體尺寸不影響,因此具有一定的研究意義。

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(責(zé)任編輯 張 镅)

Analysis and design of a new type of eight-edge shaped antenna with controllable double notches

JIANG Zhaoneng1,2, LI Xiaoyang1, QU Chen1, SUN Fang1, KAN Yunpeng1

(1.Dept. of Information Engineering， Hefei University of Technology， Xuancheng 242000， China; 2.State Key Laboratory of Millimeter Waves， Southeast University, Nanjing 210096， China)

A new type of eight-edge shaped controllable double notch antenna is proposed. The antenna adopts eight-edge shaped patch as the radiation element， affecting the signal by embedding type side resonant structure in microstrip feeder to limit certain frequency band of ultra wideband communication systems. By adjusting the side length of the resonant structure， the center frequency band notch position can be changed. Thus the controllable notch frequency band of the ultra wideband antenna can be realized， providing convenience for the ultra wideband antenna in different frequency bands.

patch antenna; double notches; resonant structure; controllable; eight-edge

2015-12-17;

2016-02-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61501159);安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1608085MF124)和毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(K201602)

姜兆能(1985-),男,江蘇灌南人,博士，合肥工業(yè)大學(xué)講師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.013

TN828

A

1003-5060(2017)08-1074-03