双F结构的超宽带印刷椭圆槽陷波天线_蔡云龙
一种新型超宽带陷波天线的设计
第39卷第2期2017年4月压电与声光PIEZOELECTRICS &ACOUSTOOPTICSVol. 39 No.2Apr.2017文章编号：1004-2474(2017)02-0312-04一种新型超宽带陷波天线的设计郁剑，张丹萍，白拴明，谈荣(南京工业大学计算机科学与技术学院，江苏南京211800)摘要：提出了一种新型超宽带（U W B)陷波天线，该天线的结构由常规的圆形单极子天线演变而成。
为获得 超宽带特性，天线的辐射体被设计成渐变的笑脸形状。
同时，通过在辐射贴片上开C形槽来实现陷波特性。
合理 选择C形槽的尺寸可有效去除超宽带频段内的无线局域网W L A N C5. 150〜5.825G H z)的干扰。
仿真结果表明，天线在4. 91〜6. 07 G H z处形成了阻带特性（电压驻波比V S W R>2)，天线结构新颖简单，适用于超宽带通信系统。
关键词：陷波；超宽带天线；笑脸形；C形；圆形单极子天线中图分类号：T N82文献标识码：ADesign of a Novel UWB Band-notched AntennaYU Jian, ZHANG Danping, BAI Shuanming, TAN Rong(College of Computer Science and Technology»Nanjing Technology U n ive rsity, Nanjing 211800 »China) Abstract：A n o ve l U W B b a n d-n o tch e d an te n n a w as p ro p o se d in th is paper. T h e c o n fig u ra tio n o f th e an te n n a was e vo lve d fro m th e c o n v e n tio n a l c irc u la r m o n o p o le an tenn a. T h e ra d ia to r o f th e a n tenn a w as desig ned to a g ra d ie n t s m ile y-s h a p e d p a tc h to re alize U W B c h a ra c te ris tic and a C-sha ped s lo t o n th e ra d ia tio n p a tc h w as fa b ric a te d to re a lize th e b a n d-n o tch e d c h a ra c te ris tic. T h e re asona ble se le c tio n o f th e size o f th e C-sha ped s lo t can e ffe c tiv e ly re m o ve th e in te rfe re n c e o f W L A N(5. 150〜5. 825 G H z) in th e u ltra-w id e b a n d. T h e s im u la te d re s u lts in d ic a te d th a t th e band- n o tch e d c h a ra c te ris tic(VSWR^>2)w as o b ta in e d w ith in th e fre q u e n c y ra nge o f 4. 91~6.07 G H z. T h e p ro p o se d a nten na s tru c tu re is n o v e l and s im p le and s u ita b le fo r th e u ltra-w id e b a n d c o m m u n ic a tio n system s.Key words ：b a n d-n o tc h e d; u ltra-w id e b a n d a n te n n a; s m ile y-s h a p e d; C-s h a p e d; c irc u la r m o n o p o le an tenn ao引百2002年，宽带通信迎来了一次里程碑式的发展，同年2月，美国联邦通信委员会（FCC)[1]正式将3.1〜10. 6G H z的超宽带（UWB)频段批准用于民 用通信，从此超宽带无线通信技术，尤其是超宽带天 线[2_5]引起了人们的广泛关注。
一种小型双陷波超宽带印刷天线
超 宽带 印刷单极 子 天线 。该 天线采 用微 带线馈 电， 辐射 贴片上 开三 个半 圆环槽 ， 在 使得 天 线在
上 述 两个频段 处 回波损耗 大 于一１ Ｂ， 而避 免 了与 超 宽带通信 系统 的相 互干扰 。 ｏｄ 从
关键 词 ： 单极 子天 线 ；陷波 电路 ；宽频带 中图分 类号 ： ＴＮ８ ２ ８ ２． 文献标 识码 ： Ａ
Ｓ ｉｎ ｅａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｑｉｇ ａ ｈ ｎ ｏ ｇ ２ ６ ９ ｎ ｄ ｏＳ ａ ｄ ｎ ６ ５ ０，Ｃｈ ｎ ） ｉａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｄ ｒ ｔ ｎｈ ｂｉ ｈｅ ｆ ｅ ｕ ｎｃ ｎ ． ５ ｓ ｒ ｃ ： ｎ ｏｒ ｅ ｏ ｉ ｉ ｔ ｔ ｒ ｑ ｅ ｙ ｉ ５ １ ＧＨ ｚ ５ ８ ５ ～ ． ２ ＧＨ ｚ ｏ ＬＡＮ ｎｄ ｆ ｒ Ｗ ａ ７ ２５ Ｇ Ｈｚ ７ ７ ． ～ ． ５ ＧＨ ｚｆ ｏｗｎ ｉ ｂａ ａ ｅｌｔ ｏ ｍｕ ｃ ｔｏｎ ｓ ｓ ｅ ｓｏ ｈ ｏｒｄ ｌｎｋ ｏｆＸ— ｎｄ ｓ ｔ ｌｉｅ ｃ ｍ ｎｉａ ｉ ｙ ｔ ｍ ｆｔ ｅ ＵＷ Ｂ，
通信 系统 越来 越受 到重视 。ＵＷＢ天线 不仅 要求 天 线具 有体 积 小口 、 射 效 果 良好 、 盖 特性 全 ］辐 覆 向等 特 点 ， 应 避 免 与 其 他 通 信 系 统 的 相 互 还
干 扰 。
通信 、 高精 度雷 达 和图像 系统 中最 有 前途 的技 术
在 规定 的超 宽 带 频 段 范 围 内存 在 其 他 通 信
之一 。 自Ｉ Ｅ ０ ． ５ ３ 标 准 提 出将 ３ １ＧＨｚ Ｅ Ｅ８ ２ １．ａ ．
０ 引 言
随着对 ３ １ＧＨｚ １ ． ． － ０ ６ＧＨｚ 频率 波段 的认 可与分 配 利用 ， 超宽 频技术 成 为 未来 高速 率 无线
用于认知无线电系统的陷波可重构超宽带天线
0引言随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源越来越稀缺。
为了提高频谱利用率、减少频谱资源浪费、缓解使用压力，学者们提出了认知无线电的概念[1]，其核心思想是使无线通信设备在宽带内发现“频谱空穴”并加以利用。
通常，“频谱空穴”是一些可利用的窄带。
为了发现“频谱空穴”，其系统需要一个工作频段很宽的天线作为“扫描天线”来扫描频谱，以获得可用频段[2-3]。
超宽带天线以其具有良好的全向辐射特性、频带宽、结构紧凑、剖面低、成本低、易于加工制作等优点，被广泛应用于认知无线电系统中[4]。
然而，在超宽带频段中存在其他窄带业务，例如无限城域网（I EEE802.16WiMAX，3.3～3.8GHz）、无线局域网（I EEE802.11a WLAN，5.15～5.825GHz）和X波段卫星通信的下行频段（7.25～7.75GHz）等，因此超宽带天线容易受到其他常用系统信号的干扰[5]。
为了克服常用无线系统的干扰问题，研究人员提出了具有带陷波功能的各种超宽带天线，这些天线可以在单频带、多频带甚至可重构频带内实现带陷波功能[6-10]。
在文献[9]中，通过将变容二极管放置于天线槽线上的某个位置，给二极管加载不同幅值的直流电压来改变其电容值，从而实现了陷波频段的可重构功能，但是天线的尺寸较大，为用于认知无线电系统的陷波可重构超宽带天线吕昕梦1，蒋炫佑1，马文韬1，何琬冰2（1.陆军工程大学通信工程学院，江苏南京210000；2.中国海上卫星测控部，江苏江阴214431）摘要：提出了一种可应用于认知无线电系统的新型陷波可重构超宽带缝隙天线，以改进矩形单极子天线为基本模型，采用切角的矩形地板，实现了2.9～12GHz的超宽带特性。
在改进的矩形辐射片上蚀刻由倒U形和H形组成的对称折叠槽，实现了陷波特性。
通过切换3个P IN二极管的状态来改变折叠槽的形状和有效长度，实现了3个频段陷波可重构功能。
该天线结构紧凑，便于加工制作，在认知无线电系统中有潜在应用价值。
PCB天线的分析及应用设计
通过 以上 分析研 究 ，可 以得 出 以下 结论 ： （ １ ） 从效 率来 说，半波振子天 线或 四分 之一波长 单极 天线的效率最 高 ， 残 桩天线和螺旋天线 次之， 小型环状 天线的效率最低 。 （ ２ ） 从对
环境 的敏感度 来说 ， 小 型环状 天线最 不敏感 ， 半波振 子天 线 或四分之一波 长单极天线 次之 ， 而残桩天线和 螺旋天线最 易
户需要在 实际应用条件 下测定预先 生产 的天线 的阻抗， 并匹 配至所 需的特征 阻抗 。（ ５ ） 小型环状 天线对其 反应近 区场 内 的介 电常数变 化并不敏感 。 因而小型环状天线 是不错的便携 式及 手持 设备解 决方案 ，但其 效率 却要 比电子天 线低 了许 多 。较大 的环路具有 较高的增益 ， 但 同时也对周 围环境 的状
受到环境 的影 响。 （ ３ ） 半波振子 天线（ 对 于差分馈入） 或 四分之
一
参 考文献 ：
【 １ 】 Ｉ Ｓ Ｍ 频 带及 小 范 围ｏ ｙ ， Ｉ ｂ ｏ ｕ ｎ Ｓ ｙ ｌ ｌ ａ ， 德州
仪器．
波长单极天线（ 对 于单端馈入） 对空 间要 求大 ， 效率 也最高 ，
［ ２ ］Ｋｅ ｎ ｔ Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ ．Ａ ＮＴ Ｅ ＮＮＡ Ｓ Ｆ ＯＲ Ｌ ＯＷ Ｐ ＯＷ Ｅ Ｒ Ａ Ｐ Ｐ Ｌ Ｉ Ｃ Ａ—
ＴＩ ｏＮＳ ．
如果空 间条件满足 的话， 首选 这两种天线 。 （ ４ ） 在使用 片状天 线时 ， 需要尽可 能使接地平面 的尺寸及形状 均与制造商 的评
［ ３ ］ Ｃ ａ ｒ ｌ ｏ ｓ Ｒｉ ｂ ｅ ｉ ｒ ｏ ．Ｓ ｍａ ｌ ｌ Ｐ Ｃ Ｂ Ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ｓ ｆ ｏ ｒ Ｍｉ ｃ ｒ ｅ ｌ ＲＦ Ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｓ ．
具有陷波特性的超宽带印刷天线设计概要
具有陷波特性的超宽带印刷天线设计摘要:设计一种具有陷波特性的超宽带印刷天线,天线采用圆形金属贴片作为辐射单元,采用微带线进行馈电,通过在贴片上开四个对称T形槽来实现陷波功能。
利用仿真软件HFSS 10.0对其进行计算,对天线的阻抗特性、方向图和增益进行了研究。
运算结果表明,该天线在2.26~4.94 GHz和6~11.68 GHz的工作频带范围内电压驻波比(VSWR)小于2;在4.94~6 GHz的阻带范围内具有良好的陷波特性;在阻带中心频率(5.48 GHz)处,电压驻波比高达40。
关键词:超宽带天线; 陷波特性; 印刷天线; 辐射单元中图分类号:TN821文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)08-0127-03Design of Ultra-wideband Printed Antenna with Band-Notched CharacteristicZHOU Feng, QIAN Zu-ping, PENG Chuan(Institute of Communication Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)Abstract:A ultra-wideband (UWB) printed antenna with notching characteristic is proposed. A circle metal patch fed by a microstrip is taken as a radiation element . The band-notched function is realized by cutting four symmetrical T-shaped slots in the patch. It was studied experimentally for its impedance bandwidth, radiation patterns and gain by using HFSS software. Simulation results showthat within the operation band-width of 2.26 GHz~4.9 GHz and 6.2GHz~11.68 GHz, the voltage stand wave ratio(VSWR) is lower than 2; within the stop band of 4.9 GHz~6.2 GHz it has a good notching characteristic; and at the center frequency(5.48 GHz) of the stop band, the VSWR is up to 40.Keywords:ultra-wideband antenna; band-notched characteqistic; printed antenna;radiation element0 引言超宽带(UWB)天线在无线通信、无线接入、电子对抗等系统中都有着广泛的应用。
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ISSN 1000-0054CN 11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2009年第49卷第7期2009,V o l.49,N o.7w 9http://qhx bw.chinajo 双F 结构的超宽带印刷椭圆槽陷波天线蔡云龙, 冯正和(清华大学电子工程系,北京100084)收稿日期:2008-01-14基金项目:国家重点基础研究发展规划项目资助(2007CB310605);高通公司资助作者简介:蔡云龙(1976—),男(汉),山东,博士研究生。
通讯联系人:冯正和,教授,E-mail:fz h-dee@tsingh 摘 要:为了从超宽带天线频带内去除无线局域网等窄带干扰,提出了一种在辐射单元内嵌双F 型的崭新槽形结构印刷槽形陷波天线。
采用在辐射单元上,增加1/4波长结构的方法来实现陷波特性。
设计的双F 槽结构顶端开口,不全在天线单元内部,用来对5.8GHz 的无线局域网频谱进行陷波。
天线的尺寸为24mm ×29mm ×1mm,是平面的,准全向的。
由于这种陷波结构均是直角结构,容易调节陷波的频率。
同时分析了陷波频率时电流和电磁场的分布,揭示了天线中电场和磁场处于双F 槽上分区谐振的现象。
关键词:超宽带;双F 槽;陷波;分区谐振;印刷槽形天线中图分类号:T N 011文献标识码:A文章编号:1000-0054(2009)07-0944-04Ultrawide band printed elliptical slot band -notched antenna with dual -F slitCAI Yun long ,FENG Zh en gh e(Department of Electronic Engineering ,Tsinghua University ,Beij ing 100084,China )Abstract :A dual-F s lit structur e is embedded in th e elliptic elemen t of a b and -n otching u ltraw ide band (U WB)printed elliptical slot(PES)antenna to cancel the WIFI system signal in the UW B an tennas.Band notch ing is us ed for the quarter -wavelength structure in th e radiation element.Th e d ual-F slit is open at the top of the r adiation patch,and is us ed to cut the 5.8GHz band.T he an tenna is compact w ith a s ize of only 24mm ×29mm ×1mm.T he dual-F slit is righ t-angled and is easily adjus ted to appropr iate band-notchin g frequency.T he electromagn etic fields and curren t distrib ution s are analyzed to s how w hich electronic an d mag netic field s ar e resonating in different z ones of the dual-F slit with band-notchin g.Key words :ultr aw ide band (UW B);dual-F slit;ban d-notching ;divis ion al resonate;printed elliptical s lot (PES)antenna随着移动通信技术的发展,天线的设计挑战性变得越来越来强。
超宽带(U WB )无线通信由于其巨大的带宽而得到了广泛的关注。
超宽带系统是家庭局域网首选的无线技术。
在U WB 系统中,天线的设计是难点之一。
印刷椭圆槽(printed elliptical slot ,PES)超宽带天线是一种低剖面,并且辐射的时域波形具有良好的波形保形性,获得了广泛的关注[1-2]。
美国联邦通信委员会(FCC )规定的超宽带频谱为3.1～10.6GHz,在这个频段中有很多已经存在的无线通信系统,WiFi 、WiMax 等都已经得到了广泛的应用。
为了不干扰或者不受已经商用的无线频谱,需要对这些频带进行隔离,使用陷波天线比使用滤波器更容易实现。
陷波天线一般使用半波长的陷波结构[3-4],陷波天线结构有U 型槽,环形型枝节、棒等[5-8],本文提出了一种在辐射片顶部开口的双F 槽结构,如图1所示。
本文利用PES 天线结构设计了一种新的陷波结构,实现了把5.8GHz 频带进行隔离的要求。
天线的结构低剖面。
相对于其他陷波结构,双F 槽容易通过调整F 槽的长度来得到不同陷波频率。
相比较一般的缝隙开在辐射片的内部,这是一种双F 的缝隙结构,是在辐射片的上部并且一端是敞开的,不是封闭的狭缝结构。
因为单独的竖槽结构驻波比(VSWR)在测试中较小,所以在如图1所示,电容增强孔(B x )和电感增强枝(C s )部分是用来提高VSW R 的。
在文[9]中使用槽线理论进行了陷波频率的分析。
1 双F 陷波天线结构与分析天线的具体尺寸为:基板为24mm ×29mm ×1m m 的FR4-epox y 板材。
地的大小外轮廓与基板相同,内轮廓为短轴为21.6m m,轴比为1.2的椭圆。
内部的椭圆辐射片为短轴为12.6mm ,轴比为1.2椭圆。
馈电缝隙W f= 1.5m m,馈电导体W i=0.5 m m。
具体的双F结构的尺寸为:直槽长度为L=6.01mm,宽度为0.6mm,B x=2.5mm×1.5mm,C s=1.5mm,宽度为0.6m m。
其中L+C s近似为陷波频率的1/4波长结构。
采用HFSS的有限元仿真软件。
图1 天线的结构模型UWB陷波结构多数采用了U型槽、各种条形枝节的结构。
根据以上天线的结构的分析,尝试设计了一种竖直在辐射片顶部开口的直槽,在直槽的中部上增加一个正方性孔,在底部加一个向内弯折的孔。
进行结构优化后,得到VSWR与测试的结果非常接近。
为了得到天线结构中双F槽长短对频率的影响,仿真中,改变不同的L值得到了不同的陷波频点时得到VSWR,如图2所示。
图2 陷波天线VSWR随直槽L的变化趋势同时得到的陷波频点和L值的关系如表1,这样得到了L+C s值近似为1/4陷波频率波长的关系,说明可以通过给定相应的L值就能得到需要的陷波频率。
表1 直槽长度与陷波频率的关系LmmfGHzLmmfGHzLmmfGHz6.5 5.5 6.0 5.7 5.6 5.96.2 5.62 5.8 5.8 5.4 6.0 在使用仿真软件得到合理陷波天线的结构后,给出了正常辐射频率和陷波点频率的表面电流最大时的分布如图3、图4。
可以看出在正常辐射频率点时,电流在辐射片上分布均匀。
而在陷波点的时候得到的电流分布集中在双F结构的周围,而且电流幅度为一般辐射频点5倍左右(在图4中最大值为图3的最大值的5倍)。
为进一步研究,画出了陷波频率点时的电磁场的最大值,如图5及图6所示,发现电场和磁场形成一种分区谐振的结构。
同时发现电磁场分布在1/4波长双F结构的两端,并且相位相差90°。
图3 天线在4GHz(辐射频点)时的最大值电流分布图4 天线在5.8GHz(陷波频率)时最大值的电流分布945蔡云龙,等: 双F结构的超宽带印刷椭圆槽陷波天线图5 天线在陷波频率时最大值电场分布图6 天线在陷波频率时最大值磁场分布图7 天线的测试与仿真的反射损耗S11曲线2 双F陷波天线的测试和分析在研究中,进行详细的仿真后,制作了双F陷波天线实物进行了测试。
首先使用矢量网路分析仪Agilent E5071B(因为其工作频带为300～8.5GHz,所以测试频率轴比仿真轴短)测试天线S参数,即S11和V SWR,如图7—8所示测试得到辐射陷波点在5. 35GHz附近。
图8 测试与仿真的天线VSWR曲线 使用矢量网络分析仪的2个端口测试传输特性S21,测试时2个待测天线相距20cm,基板上有覆铜的辐射面相对。
图9的结果表明,在期望的陷波频率上,天线显示与这个窄带系统频段有很好隔离特性。
图9 天线的测试传输特性S21进行S参数测试后,进行了方向图的测试。
测试中为了清楚揭示设计的天线的辐射特性,接收设备采用标准的2～18GHz的加脊喇叭。
为了测得更多的频点,使用矢量网络分析仪扫频测试得到了提出的天线的x Oy平面(坐标系参见图1)上频率幅度响应,测试的结果如图10、11。
从测试的频率幅度响应可以看出,在x Oy平面上在陷波频率点有超过10dB 的阻止特性。
3 结 论本文提出了一种UWB天线的双F陷波结构,可以通过调整竖槽的长度来得到不同的陷波频率。
由于是方块性结构,没有弧线,制作比U型槽等方便,调节频率也比较方便。
仿真和测试的结果标明是一种很成功的设计,同时分析了陷波结构的产生陷波频率的时辐射片的场结构,得到了分区谐振的结论,为揭示UWB陷波天线的设计理论进行了有益的探索。
946清华大学学报(自然科学版)2009,49(7)图10 天线H 面不同角度辐射的接收特性(每隔20°测试,分4组,取0—80,180—260两组)图11 天线不同角度辐射的接收特性参考文献 (References )[1]S u SW,WongK,Chang F S.Compactpr inted band-n otched ultra-w ideb and slot an tenna [C ]//APS.W as hington,DC :IEEE Pres s,2005:572-575.[2]Bhalla R,Sh afai L.Resonance beh avior of sin gle U-s lot and du al U-slot anten na [C ]//APS.Boston,M ass achus etts:IEEE Press ,2001:700-703.[3]Ch ettiar E ,Natarajan V,Chatterjee D.Effect of slot w idth variation on performance of w ideb and ,probe-fed U -slot patch antenn as [C]//APS.M onter ey,Californ ia:IEEE Press ,2004:1792-1795.[4]S chantz H G,W olenec G P.Ultra w ideband anten na having frequency,selectivity,U.S.Patent No.6774859B2[P],Au g.10,2004.[5]Keyvan B,Yahya R S.A miniaturized elliptic-card U WB anten naw ithW LANbandrejectionforw ireles scommunications [J ].I E EE T r ansactions on Antenna and P rop agation ,2007,55(11):3326-3332.[6]Lu i W J ,C heng C H,Zhu H B.Im proved frequency notch ed ultraw ideband slot antenn a us ing s qu are ring r esonator [J].I E EE T ransactions on A nte nnas and P rop agation ,2007,55(9):2445-2450.[7]Qiu J M ,Du Z W,L u J H,et al.A planar monopole antenn a designw ithband-notchedch aracteristic[J].I EE ET ransactions on A ntennas and Pr op ag ation ,2006,54(1):288-292.[8]Kim J,Cho C S,Lee J W.5.2GHz notch ed ultra-w ideband anten na us ing slot-type SRR [J].E lec tronics L etter s ,2006,42(6):315-316.[9]Diss anayake T ,Es selle K P.Prediction of the notchfrequency of slot load ed pr inted U WB antennas [J ].I EE E T ransactions on A ntennas and P rop agation ,2007,55(11):3320-3325.947蔡云龙,等: 双F 结构的超宽带印刷椭圆槽陷波天线。