一种新型小型化的双陷波超宽带天线的设计

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随着室内高速无线数据接入技术的发展,要求无线通信系统具有更大的数据吞吐量。特别是IEEE802.15.3a标准提出分配3.1~10.6 GHz频段给超宽带使用后,超宽带通信系统越来越受到重视。考虑到与以往天线的设计要求,UWB天线不仅要求天线具有体积小、良好的辐射效率、全向覆盖特性,同时应避免和其他通信系统相互干扰,主要重叠的通讯频段有WLAN(5.2~5.8 GHz),WIMAX(3.3~3.6 GHz)和c波段(3.7~4.2 GHz)雷达通信系统,因此能否实现小型化UWB天线及双阻带性能已成为当今研究的重点。

微带天线以其剖面薄、体积小、重量轻、可与载体表面相共形、易集成、成本低、易制作等优点备受关注,常见的小型UWB天线主要包括印刷型单极子和宽缝隙天线。从上述背景出发,本文设计了一种双U缝隙的UWB天线,带宽2.97~12.75 GHz(VSWR<2),在满足天线性能的基础上实现了双阻带功能565 MHz(3.35~4.00 GHz)和590 GHz(5.23~5.82 GHz)。在天线设计中,地板采用了CPW馈电结构,通过调节馈线宽度W3可以达到高频匹配,实现设计天线的小型化;辐射板采用了圆形辐射板CDM,通过调节它的半径可以实现低频段的阻抗匹配;辐射板上双U缝隙的作用是产生双阻带,避免与其他通讯系统产生相互干扰。

在经验的基础上进行了大量的仿真实验,获得天线的具体结果参数。通过实物测量,显示天线性能基本得到满足,是一种具有实用意义的UWB天线。

1 天线结构设计

天线的具体尺寸结构示意图如图1所示。圆形辐射板、微带馈线和地板印制在FR4介质板的同一面,FR4介质板厚度h=1.0 mm,相对介电常数εr=4.4,尺寸为20.0 mm×27.0 mm×1.0 mm。馈线宽度设计为W3=5 mm与50 Ω端口进行匹配。其中,天线尺寸为:W=20 mm,L=27 mm,R=10 mm,W1=8 mm,W2=3.5 mm,W3=5.0 mm,L1=10mm,L1=10.2 mm,L2=7.8 mm,s1=0.8 mm,s2=1 mm,s3=0.6 mm。


图1 天线的具体尺寸结构示意图

(1)地板对天线驻波的影响。

基于圆形辐射板超宽带天线理论已被广泛引用。文中超宽带天线的辐射板采用圆形辐射板,在天线设计中采用了新型复合地板,它由两个半椭圆组成通,通过调节椭圆主半径和长短轴比,可以实现高频段的阻抗匹配(VSWR<2)。

在天线设计中为了实现天线的小型化,可以通过调节地板的参数使得天线的驻波比特性达到设计要求。设计天线的宽度W=20 mm情况下,仿真结果中椭圆的主半径为4.9mm,如图2所示,实现了小型化天线的设计。


图2 驻波比随W1变化的特性

(2)U型缝隙对天线驻波的影响。

通过在馈线和辐射板上设计双U型缝隙实现了双陷波特性。图3所示给出了设计天线开凿对驻波比的影响。从图中可以看出,该天线的带宽为2.97~12.75 GHz,已经超过了超宽带所给定的带宽3.0~10.6 GHz。腐蚀在馈线和辐射板上的U型缝隙宽度分别设为S1,S2和S3,大小直接影响阻带带宽。与文献的设计比较,它们的缝隙都是开在辐射板上,这种设计可以在辐射板上激励新的电流起到谐振作用。本文开了两个U型缝隙,可以产生双谐振作用。


图3 开凿前后天线的驻波比特性

缝隙2开在辐射板和馈线的连接部分,它的设计特点在于不仅可以产生谐振,而且对馈线电流到辐射板电流起到匹配作用。当改变缝隙2的位置时,可以减小馈线和辐射板之间的反射,调节驻波比的大小。

仿真过程中发现中心谐振频率被缝隙的长度L1,L2直接影响,长度变短时,中心频率变大,否则相反。通过分析知道,缝隙的本质作用相当于1/2波长谐振器。在这个基础上,通过仿真优化实现了所需阻抗特性如图4所示。加工时,宽度<0.1 mm的缝隙不易加工,所以仿真优化中,S1,S2和S3最终取值分别是0.8 mm,1 mm和0.6 mm以达到整体优化的折衷。


图4 驻波比随L1、L2变化的特性

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