由于UWB通信系统的工作频段与现有无线通信系统的某些频段重合,如全球微波互联接入(WIMAX,3.4~3.6 GHz),无线个人局域网(WLAN,5.15~5.35 GHz,5.725~5.825 GHz),X波段下行卫星通讯信号(7.25~7.75 GHz)等。为了减小UWB天线和这些频段内系统通信之间的相互干扰,具有陷波特性的UWB天线被广泛关注。目前为止UWB陷波天线已有大量的研究成果,但仍然存在着不足,如在接地板刻蚀槽线[1, 2]会造成部分能量的流失;在辐射贴片上刻蚀槽线[3, 4, 5]会影响贴片表面电流分布,影响辐射方向图;在贴片旁边添加寄生元素[6, 7, 8]会增加天线的尺寸,影响辐射特性;加载常规EBG谐振器[9, 10, 11, 12, 13],如文献[9],EBG单元尺寸大,很难在有限空间内实现多个陷波,且谐振带宽大,频谱利用率低。因此设计高频谱利用率、高稳定辐射特性的小型多陷波UWB天线成为研究的热点和难点。文中针对上述问题,运用电磁仿真软件CST,对常规的M-EBG结构进行改进,大大减小了EBG的单元尺寸和谐振带宽,并运用文献[13]中提出的正六边形UWB天线原型,设计了一款具有四陷波特性的UWB天线,仿真和测试结果证明了设计方法的有效性。
1 天线结构图 1为所设计的四陷波UWB天线的基本结构图,该天线印刷在介电常数为3,厚度为1.5 mm的介质基板上。
从图 1可以看出该天线主要有正六边形辐射片、介质基板、微带馈线、部分接地板和4个新型EBG谐振单元组成。其中4个新型EBG结构都是由曲折的金属贴片和位于角落的金属过孔组成,其中金属贴片到天线馈线的耦合距离分别为g1、g2、g3、g4,金属过孔的直径分别为D1、D2、D3和D4。M-EBG结构可以等效为一个LC谐振回路[7],它的谐振频率和尺寸的关系可以由式(1)~(3)表示。
式中:f0为EBG谐振频率,a为EBG的边长,g为金属贴片与微带馈线的耦合距离,εr为介质基板的相对介电常数,ε0和u0分别为真空的介电常数和磁导率,h为基板高度。根据式(1)~(3)的计算结果和全波电磁场仿真软件CST,优化得到天线的基本尺寸如表 1所示。mm | |||||||
天线 参数 | 数值 | 天线 参数 | 数值 | 天线 参数 | 数值 | ||
Lsub | 43.9 | a4 | 2.48 | g3 | 0.387 | ||
Wsub | 34 | X1 | 1.36 | g4 | 0.672 | ||
W | 10.2 | X2 | 0.2 | D1 | 0.62 | ||
L1 | 25.2 | X3 | 0.2 | D2 | 0.54 | ||
L01 | 5.45 | X4 | 0.2 | D3 | 0.6 | ||
L02 | 7.11 | Lg | 24 | D4 | 0.6 | ||
L03 | 4.275 | Ws | 3.6 | d1 | 0.2 | ||
L04 | 5.76 | Ls | 1.2 | d2 | 0.2 | ||
a1 | 3.65 | Wf | 3.6 | d3 | 0.2 | ||
a2 | 3.3 | g1 | 0.5 | d01 | 0.2 | ||
a3 | 5.45 | g2 | 0.75 | d02 | 0.2 |
为了研究所设计天线的性能及关键参数对天线性能的影响,利用全波电磁场仿真软件CST对所设计的天线进行仿真和优化分析。
如图 2所示,完整接地板无法满足UWB的频带要求(3.1~10.6 GHz),在接地板上刻蚀了与微带馈线等宽的矩形槽后,有效地改善了所设计天线的阻抗带宽,满足了UWB通信的需求,该天线覆盖带宽(驻波比(votage standing wave ratio,VSWR)<2)为2.37~11.3 GHz,相对带宽达到130.6%。
设计M-EBG、角部馈电式EBG(CLV-EBG)和新型EBG都谐振于5.6 GHz,基本结构如图 3(a)、(b)、(c)所示,其中金属过孔半径都为0.3 mm。利用一段50 Ω微带线对EBG结构的阻带特性进行仿真,来观察EBG谐振器的带隙特性,其中EBG谐振器加载在50 Ω微带线一侧,形成耦合,耦合距离为0.3 mm,通过仿真微带线的传输特性可以得到谐振器的阻带特性,仿真结果如图 3(d)所示。
从图 3中可以看出,3个EBG谐振器的边长分别为6.4、4.65、3.5 mm,可以看出其尺寸逐渐减小,这是因为将金属过孔移向角落并将金属贴片刻蚀成曲折状是等效电流路径增大的过程,也就是等效电感L增大,由式(1)可知,谐振频率减小,从而减小了EBG谐振单元的尺寸。谐振于5.6 GHz时,CLV-EBG单元尺寸比M-EBG减小了47.5%,而新型EBG单元尺寸比M-EBG减小了70.1%,尺寸的减小更利于在有限空间内加载更多的谐振器,实现多个陷波并保证天线的小型化。另外从仿真结果可以看出新型EBG的谐振带宽(5.43~5.74 GHz)为310 MHz,比CLV-EBG的谐振带宽610 MHz(5.38~5.99 GHz)减小了49.18%,比M-EBG的谐振带宽(5.21~6.01 GHz)800 MHz减小了61.25%,带宽的减小可以提高频谱利用率。
在设计WIMAX频段谐振器EBG3时,保持其他参数不变,分别对谐振器边长a3和耦合间距g3进行优化分析,如图 4、图 5所示,随着边长a3的增大,谐振点向低频移动,而谐振深度基本不变。随着耦合间距g3的减小,耦合深度逐渐增大,谐振带宽随着增大,而谐振点略向低频移动。谐振器边长a3和耦合间距g3是设计各个频段陷波谐振器的关键参数,a3主要调节陷波谐振频率点,而耦合间距g3主要调节陷波深度。
经过理论计算和仿真优化,设计了谐振于3.5、5.25、5.78 GHz和7.5 GHz处的新型EBG结构,并依次加载于UWB馈线两侧形成耦合,得到了四陷波UWB天线。其仿真结果如图 6所示,相对带宽大于135%,其陷波频段依次为3.36~3.64 GHz,5.03~5.37 GHz,5.59~5.87 GHz和7.01~7.79 GHz,最高陷波深度VSWR都大于5。可以看出,在有效地抑制4个干扰信号的同时保证了较高的频谱利用率,实现了WLAN双频段的独立陷波。
为了进一步研究天线的性能,对天线在4、8 GHz时的辐射特性进行研究,得到的辐射方向图如图 7、图 8所示。
从图中可以看出,天线XZ面的辐射特性近似全向,而YZ面的辐射特性近似于偶极子。并且加载EBG和未加载EBG的辐射曲线基本一致,充分表明了加载EBG对辐射贴片的表面电流影响较小,保证了天线稳定的全向辐射特性。
3 实物制作与测试
最后对未加载EBG的UWB天线,加载4个新型EBG结构的四陷波UWB天线加工制作了实物,四陷波UWB天线的实物图如图 9所示,用安捷伦矢量网络分析仪E5071C对天线的驻波比进行了测量,测量结果如图 10、图 11所示。
如图 10所示,UWB原型VSWR<2的下限频率为2.9 GHz,上限频率大于12 GHz,覆盖了UWB无线通信的频段,相对带宽大于122%。如图 11所示,四陷波UWB天线的带宽范围为2.67~10.98 GHz,相对带宽为121.7%。各个陷波频段依次为3.32~3.605 GHz,5.22~5.38 GHz,5.65~5.83 GHz,7.245~8 GHz。可以看出,与仿真结果相比,谐振频率略有偏移,陷波深度略有下降,一方面是由于仿真时用金属圆柱代替金属过孔造成的误差,另一方面是由于加工和测量误差所致,但是所设计天线依然满足了UWB通信的带宽要求,并有效地抑制了4个干扰频段的信号,证明了设计方法的有效性。
4 结束语利用电磁带隙理论和单极子UWB天线技术设计了一款四陷波UWB天线,实现了UWB天线与多个窄带无线通信频段的协同工作。通过将M-EBG结构的金属过孔移向边角并引入曲流技术将金属贴片刻蚀成弯折状,减小了EBG单元的尺寸和谐振带宽。设计了谐振于3.5、5.25、5.78 和7.5 GHz处的新型EBG单元,并加载于正六边形UWB天线馈线两侧形成耦合。最后对所设计的天线进行了加工制作和测试,测试结果表明,四陷波UWB天线的带宽范围为2.67~10.98 GHz,有效地抑制了4个频段的干扰信号,实现了WLAN双频段的独立陷波,具有较高的频谱利用率,对UWB多陷波天线的设计具有一定的指导意义。
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