（电磁场与微波技术专业论文）小型化及陷波超宽带天线设计.pdf

坐一7 1 1 i i i 1 1 1 1 j i 碍；i 1 1 5 i ! 盈i i i 1 1 1 摘要 在短距离无线通信中，超宽带( u w b ，u l t r aw i d e b a n d ) 技术由于其数据传 输速率高而倍受关注。研究和设计能够满足超宽带技术应用需求的超宽带天线具 有很大的实用价值。目前对超宽带天线的研究主要有：满足超宽带通信系统对天 线的技术要求、小型化和低成本设计以及避免与其他无线通信系统之间的干扰 a 盘 守。 在短距离无线通信的应用背景下，论文主要对超宽带天线的小型化及陷波特 性的设计进行了研究。本文的主要内容有： 首先，对小型化和陷波超宽带天线的设计方法和发展状况作了简要介绍。阐 述了超宽带天线的主要参数指标以及分析方法。设计了体积为2 6 m m x 2 5 m m l m m 的超宽带天线，从频域角度分析了天线的带宽、方向图等参数，这些参数 满足超宽带对天线的要求。另外，为了考察天线辐射和接收超宽带信号的性能， 分析了天线的时域特性。研究表明，天线的传递函数、群时延等均满足超宽带天 线传输脉冲信号的要求。 其次，针对通信设备小型化和w u s b ( w i r e l e s su s bd o n g l ea p p l i c a t i o n ) 的应 用，利用对称切割的方法设计了一种能与u s b 设备集成的小型超宽带天线。天 线馈电结构采用渐变微带线形式，此馈电方式改善了因直接切半所引起的阻抗失 配问题。通过调节天线尺寸得到了体积为2 6 r a m x1 2 m i n xl m m 的超宽带天线。 最后，从天线表面电流分布和传输线理论的角度分析了天线产生陷波特性的 原因。在共面波导馈电的超宽带天线基础上，通过对贴片进行开槽，设计了具有 双陷波特性的超宽带天线。天线在3 3 g h z 3 7 g h z 和5 1 2 5 g h z - - - 5 8 2 5 g h z 频 段内具有良好的带阻特性。 对文中所设计的天线分别进行了加工和测试，测试结果与仿真结果吻合度较 高。 关键词：超宽带，共面波导，小型化，无线u s b ，陷波 a b s t r a c t a b s t r a c t i ns h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h eu w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a s a r o u s e dg r e a tc o n c e r ni sd u et oi t s c a p a b i l i t yo fp r o v i d i n gh i g hd a t at h r o u g h p u t a n t e n n ad e s i g nf o ru w ba p p l i c a t i o n so f f e r s s i g n i f i c a n tp r a c t i c a l v a l u ea n d c h a l l e n g e s t h ep r e s e n ts t u d yo nu w ba n t e n n aa sf o l l o w s ：i na d d i t i o nt om e e tt h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sr e q u i r e m e n t s ，m i n i a t u r i z et h es i z e ，l o wt h ec o s ta n dt oa v o i d t h ei n t e r f e r e n c ew i t ht h eo t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nt h ea p p l i c a t i o no fs h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h i st h e s i sa d d r e s s e s t h em i n i a t u r i z e dp o r t a b l ea n t e n n af o ru w bc o m m u n i c a t i o na n db a n dn o t c h e du w b a n t e n n a t h ep r i m a r i l yw o r ki nt h i sp a p e ra sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t h ep a p e rs u m su pt h ed e v e l o p m e n to ft h em i n i a t u r i z e da n db a n d n o t c h e du w ba n t e n n ai nr e c e n ty e a r s t h ep a r a m e t e r sa n da n a l y t i c a lm e t h o do ft h e u w ba n t e n n aa r ep r e s e n t e d t h e n , v o l u m eo f2 6 r a mx2 5 r a mxlm mu w ba n t e n n a i sd e s i g n e d t h ea n t e n n a sb a n d w i d t ha n dr a d i a t i o np a t t e r na r ea n a l y z e di nf r e q u e n c y d o m a i n t h e s ep a r a m e t e r sm e e tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sr e q u i r e m e n t s a n dt h e n ， i no r d e rt oi n v e s t i g et h ea n t e n n a sr a d i a t i o na n d r e c e p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et r a n s f e r f u n c t i o na n dg r o u pd e l a ya r ea n a l i z e di nt i m ed o m a i n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a n t e n n ac a nm e e tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sr e q u i r e m e n t s s e c o n d l y , i nt h ea p p l i c a t i o no fw u s b ( w i r e l e s su s bd o n g l ea p p l i c a t i o n ) ，t h e c p w - f e du w bw a sh a l fc u t t w ot a p e r e dm i c r o w a v ec o p l a n a rs t r i p ( m c s ) f e dt h e u w ba n t e n n a t h i ss t r u c t u r ei m p r o v e st h ei m p e d a n c em a t c h i n gi nt h ew h o l eu w b b a n d b yc h a n g i n gt h ea n t e n n a sd i m e n s i o n ，ac o m p a c tu w ba n t e n n ai sg o t t h e v o l u m eo f t l l ea n t e n n ai s2 6 m m x1 2 m m xl m m f i n a l l y , t h ep r i n c i p l eo fn o t c hf u n c t i o ni sa n a l y z e db yt h ed i s t r i b u t i o no fs u r f a c e c u r r e n ta n dt r a n s m i s s i o nl i n et h e o r y b a s e do nt h ec o p l a n a rw a v e g u i d ef e du w b a n t e n n a , a n dt h ea n t e n n a 、) l r i t l lt w ob a n d n o t c h e du w bi sp r o p o s e d t or e a l i z et h e a n t e n n a , t w os l o t sa r eo p e n e do nt h ea n t e n n a i nt h ef r e q u e n c yr a n g eo f3 3 g h z - 3 7 g h za n d5 12 5 g h z - - 5 8 2 5 g h zt h ea n t e n n ah a st w os t o pb a n d s a b s t r a c t t h ea n t e n n a sf i f em a n u f a c m r e da n dm e 舢e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o i n c i d e w i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t k e y w o r d s ：u l t r a - w i d eb a n d ，c o p l a n a rw a v e g u i d e ，m i n i a t u r i z e d ，w i r e l e s su s b ， b a n d n o t c h e d 第一帮绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 在2 0 0 2 年发布了0 2 0 4 8 号报告，定义了不同类型的超宽带设备的辐射功率限制，并将 3 1 g h z 一1 0 6 g h z 频段归为民用频段【1 2 】。至此，超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 技术成为短距离、高传输速率的个人和商业无线通信系统应用和研究的重点，为 解决高速通信的难题提供了一个有效的方向和途径。 、 ： j 鸥 图1 1 超宽带在短距离通信中的应用 图1 1 为超宽带在室内短距离无线通信中的应用示意图。通过超宽带信号将 电脑主机、显示器、打印机、音响等设备进行互联，实现这些设备之间数据的高 速传输。作为一种短距离无线通信方式，超宽带的主要优势在于其数据传输速率 比其他无线通信技术的传输速率高很多。在l o m 范围内，超宽带系统能够以至 少1 0 0 m b p s 的速率传输数据，在相同的作用范围内，其速率可达到i e e e 8 0 2 1 1 a 的l o 倍以上、b l u e t o o t h 的1 0 0 倍以上，具有非常明显的优势。超宽带已成为目 前短距离高速无线通信的强有力解决方案。在此应用背景下，设计出满足需求的 超宽带天线有着重要的意义和实用价值。 安徽人学顾 ：论文：小型化及陷波超宽带天线设计 1 2 小型化及陷波超宽带天线研究方法 1 2 1 超宽带天线设计基本要求 u w b 通信系统的关键技术之一就是设计出满足系统需求的u w b 天线【3 1 。 在短短十年的时间内，对超宽带频段( 3 1 g h z - - 1 0 6 g h z ) 应用所设计的天线形 式多种多样。对平面超宽带天线的拓展设计方法有很多，这些方法大致可分为以 下几类i 删： 1 采用方形、圆形、多边形、椭圆形等结构 2 采用短路结构 3 采用多点馈电结构 4 采用渐变的金属地板结构或者金属地板槽结构 在设计超宽带天线时应考虑以下的几点要求： 1 天线的输入阻抗在整个工作频带内应保持一致1 7 1 。 2 天线的相位应是线性的。理想情况下，在整个频带内不发生色散现象。 3 天线的方向图在某个面上保持全向性，且在整个频带内应具有稳定性i 羽。 天线应该能够同时辐射或接收整个工作频带内所有的信号。 4 天线的体积要向小型化、平面化的方向发展【引，以适应目前通信系统小 型化的需求。 5 天线要有高的辐射效率，且天线输入端的反射要小。 表1 1 给出了超宽带天线设计时应考虑的基本要求。 表1 1u w b 天线设计的基本要求 输入阻抗在3 1g h z - - 1 0 6 g h z 频带内，输入阻抗要保持一致 方向图 e 面或h 面要具有全向性，整个频带内的方向图具有稳定性 相位 线性相位，频带内相位延迟稳定 辐射效率 信号失真小，辐射效率高 物理尺寸 小型化、平面化 2 第一章绪论 与此同时，除了对天线频带展宽方法的研究之外，还有对宽带天线的小型化 及陷波特性的研究和讨论，这些对超宽带天线的发展都起到了很大的促进作用， 如2 0 0 7 年z n c h e n 设计出了能与w u s b 设备集成的小型天线【i ：2 0 0 3 年 h gs c h a n t z 就提出了具有陷波特性的超宽带天线【】等，这些天线如图1 2 所示。 对超宽带天线进行小型化和陷波特性的研究和设计可以说是目前超宽带天线设 计的两个主要研究方向。 ( a )( b ) 图1 2z n c h e n 与w u s b 集成的小型化天线和h t 3 s e h a n t z 陷波天线 1 2 2 超宽带天线小型化技术 无线通信设备的便携化，使得天线的小型化设计成为一个重要的研究方向。 因而，以提高无线通信系统性能为目的的超宽带技术就得面对工程上小型化的要 求。同时基于商业的需要，对于w i b r o ( w i r e l e s s - b o r a d b a n d ) 、w l a n ( w i r e l e s s l a n ) 、以及w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a l a e r a - n e t w o r k ) 等系统而言，设备小型化 的要求就更加迫切。因此设计出能和这些通信设备集成的小型化天线具有十分重 要的意义【1 2 】。 对天线进行小型化的设计前有必要理解天线物理尺寸和电尺寸的概念。天线 的物理尺寸反映的是天线实际占据空间的大小，即天线的实际尺寸。相对于天线 工作波长而言的则是电尺寸，把物理尺寸不大于十分之一工作波长的天线称为电 小天线。在小型化超宽带天线设计中，不光要考虑天线物理尺寸的缩小，还要考 虑电尺寸的缩小。目前，超宽带天线小型化的设计方法主要有以下几种： 1 折叠的方法 折叠的方法是将平面天线结构在3 d 空间内进行适当的折叠，使得天线尺寸 3 安徽大学颂 j 论义：小型化搜陷波超宽带天线设计 满足设计需求。折叠法的特点是充分利用系统设备所提供的空问，减小天线占据 面积。但是，折叠后的天线性能有较大的变化，一般还需要对其结构做进一步调 整，而且天线加工起来也较为复杂。图1 3 是通过折叠实现天线小型化的实际应 用的实例【1 3 _ 14 1 。 ( a )( b ) 图1 3 通过折叠实现天线小型化实例 2 按电流分布进行裁剪的方法 在保证天线性能不变的条件下，通过对天线表面电流分布的分析，将电流密 度弱的部分从天线上剪去，从而达到减小天线面积的目的。通过对天线表面电流 的观察，可以很容易地找出需要剪去部分的位置。尽管该方法能方便地减小天线 的有效面积，但是，一般情况下对减小天线整体面积的效果并不明显。图1 4 是 通过裁减的方法进行天线小型化设计的实例【1 5 1 6 】。 一n 口 ( a )( b ) 图1 4 通过裁减方法实现天线小型化实例 3 使用短路线的方法 该方法是在天线适当的位置使用短路线( 短路针或短路销钉) 制造出短路效 应，从而减小天线尺寸。这种方法多用于手机天线和多频天线的设计中，该方法 4 第一章绪论 也能应用于超宽带天线中，尤其是在低剖面的超宽带天线设计中。使用短路线能 明显缩小天线尺寸，但是如何选取短路点位置是该方法的难点。图1 5 是利用此 方法实现天线小型化的实例【1 7 1 引。 ( a )( b ) 图1 5 使用短路线方法实现天线小型化实例 4 使用高介电常数方法 使用介电常数高的材料作为介质能够获得小的天线尺寸，或是在天线上加载 介电常数更高的介质材料。此方法操作简单，对天线尺寸的减小也十分明显。值 得注意的是天线的小型化是物理尺寸上的小型化，天线的电尺寸没有改变。高介 电常数介质材料的价格较高，这会使天线的设计成本增高。图1 6 为利用该方法 实现天线小型化的实例【19 1 。 毒 一f ：= a r 一 图1 6 使用高介电常数方法实现天线小型化实例 5 对称切割的方法 该方法是利用天线结构的对称性，将天线按对称轴进行切割实现小型化的， 如图1 7 所示。切割后的天线能够保留原来天线一定的特性【2 0 1 。这种方法不仅缩 譬 - 罾 警 孽：| 目矗一 咎 目麓一 瀛黝露z 连 安徽火学硕士论义：小型化及陷波超宽带灭线没汁 小了天线的物理尺寸，也减小了天线的电尺寸，天线尺寸能够缩小近5 0 左右。 然而，切割后的天线性能会有明显的改变，这一点可从辐射方向图的变化明显地 观察到。 - m 帅h t r l d c d “岍”、m 、，”翟嚣嚣“ 二1 三 二7 。f 1 ：二二 一1 - ，7 ir 二- 图1 7 利用对称切割方法实现天线小型化实例 1 2 3 超宽带天线的陷波技术 超宽带的带宽为3 1 g h z - 1 0 6 g h z ，在其工作频带内可能会对其他通信设备 产生干扰，例如i e e e8 0 1 1 1 a 所对应的频段5 1 5 g h z - 5 3 5 g h z 、5 7 2 5 g h z 5 8 2 5 g h z 以及w i m a x 所对应的3 3 g h z - - - 3 7 g h z 频段可能会受到干扰。为防止 它们之间的干扰，一般情况下需要使用带阻滤波器来实现滤波，但这样会增加系 统的整体体积，不符合小型化设计的要求。如果所设计的天线能够抑制特定的频 带，那么能省去带阻滤波器，从而为系统整体设计提供更大的空间。因此，如何 设计具有陷波特性的超宽带天线具有实用意义。 对陷波特性的设计主要是通过改变天线上电流分布来实现的。电流分布改变 后的天线相当于增加了带阻滤波器，从而实现抑制特定频带的功能。天线陷波特 性的设计方法一般有以下几种： 1 开孔或开槽的方法 在天线上开孔或开槽后改变了孔或槽两边电流的分布情况，使天线上电流分 布在特定频率处呈现驻波状态，从而实现频带抑制的功能，图1 8 就是这种方法 的设计实例【2 1 2 4 1 。所抑制的频带由孔或槽的尺寸所决定，改变孔或槽的尺寸可以 调整被抑制频带的特性。另外孔或槽也可以放在天线金属接地板上或者其他位置 上。一般槽或孔的形状有u 形、环形、方形、l 形等。 至 第一章绪论 k t + 一u ， 一 ( b ) ( c )( d ) 图1 8 通过开孔或者开槽方法实现天线陷波特性的实例 2 附加寄生单元的方法 该方法是在被抑制频带范围内，使得寄生单元与辐射贴片上电流方向相反， 从而实现天线的陷波特性。平面单极子超宽带天线一般使用附加寄生单元来实现 陷波特性。图1 9 为附加寄生单元实现天线陷波特性设计的实例【2 5 。2 7 1 。 、 7 豳豳 安徽人学硕! ：论文：小型化及陷波超宽带天线改汁 ( b ) ( c ) 图1 9 通过附加寄生单元方法实现天线陷波特性的实例 3 添加枝节的方法 该方法是在天线上添加与天线相连接的枝节，通过增加辐射单元来改变天线 上电流方向或相位来实现频带抑制的。在天线结构上添加枝节实现陷波特性的实 际应用如图1 1 0 所示。该方法类似于容性加载，等效为一个工作在所需抑制频 带内的串联谐振器。枝节所添加的位置因情况的不同而不同，一般都是在辐射片 或微带线上做添加枝节 2 s - 2 9 1 。 ( a ) ( b ) 图1 1 0 通过添加枝节方法实现天线陷波特性的实例 1 3 本文主要内容安排 从理论分析到实际应用、天线小型化和陷波特性的设计进行章节的安排，全 文共分六章： 第一章为绪论，主要介绍了本文的研究应用背景及意义，简述了超宽带天线 第一章绪论 小型化和陷波特性设计的主要方法。 第二章，主要介绍了超宽带天线主要参数和分析方法。 第三章，设计了一款体积为2 6 r a m 2 5 m m xl m m 的缝隙超宽带天线，分析 了天线结构尺寸对天线回波损耗的影响。最终天线阻抗带宽为2 8 g h z 1 1 7 g h z 。分别从频域和时域的角度分析了该天线的性能，结果显示该天线具有 较好的频域和时域特性，能够很好地接收和辐射超宽带脉冲信号，满足超宽带通 信系统对天线的要求。 第四章，对第三章中所设计的天线进行对称切割处理，实现了天线的小型化。 天线馈电结构选为渐变共面带线结构，解决了由直接切割所引起的阻抗不匹配问 题。小型化后天线的尺寸为2 6 m m x1 2 m m xl m m ，该尺寸能够集成到无线u s b 设备中。最后分析和讨论了影响天线性能的参数。 第五章，在第三章天线的基础上设计了具有双陷波特性的超宽带天线。分别 从天线表面电流密度分布和传输线理论的角度分析了天线产生陷波特性的原因。 分析和讨论了影响天线陷波特性的主要参数。 第六章对本文的工作进行了总结，并对后续的研究方向和工作做了简单的说 明。 9 安徽人学硕1 ：论文：小型化及陷波超宽带天线设计 第二章超宽带天线的参数及分析方法 2 1 引言 天线是无线通信系统中实现信号辐射和接收的设备，其理论主要包括阻抗理 论、辐射理论和接收理论。输入阻抗是天线阻抗理论的主要研究对象，对其研究 主要是围绕天线输入阻抗的匹配设计；辐射理论的研究主要内容有：天线电流分 布、辐射效率、辐射方向图等；而接收理论则是研究天线接收电磁波的能力和天 线上的感应电流等。 对天线问题的研究大都是围绕m a x w e l l 方程组求解和电磁计算进行展开的， 人们通常利用仿真软件对天线的相关参数进行分析，从而确定天线设计方案。一 般设计天线都要考虑天线的输入阻抗、方向图、方向性、阻抗带宽、增益和效率 熊【3 0 】 寸0 超宽带天线目前还一直沿用传统天线的参数进行分析和研究，除此之外，超 宽带天线设计时还应研究其相位中心、群延迟等重要参数。下面就超宽带天线的 几个主要参数做简要的介绍。 2 2 超宽带天线的主要参数 2 2 1 天线输入阻抗 天线输入阻抗定义为加在天线馈电端口的输入电压和输入电流l 之比。 用公式表示为： 乙= 孥首= 民慨 协。 式中忍是乙的电阻部分，表征的是天线上有功功率的耗散；而瓦则是乙 的电抗部分，表示天线近场区所存储功率，这一部分的能量不向天线周围辐射。 将天线输入阻抗与标准馈线( 5 0 f 2 或7 5 q ) 进行匹配是天线设计的一个重要 步骤，并且在天线设计时要尽量减小输入阻抗的电抗部分( 瓦) 。影响天线输入 1 0 第_ 二章超宽带天线参数及分析方法 阻抗的因素有很多，如天线的结构尺寸、工作原理、周围介质和工作频率等。 2 2 2 天线的阻抗带宽 天线阻抗带宽指的是天线输入端反射功率小于1 0 时天线的带宽。有三种方 式可以定义天线的阻抗带宽。 1 绝对带宽鲈 矽= 厶一五 ( 2 2 ) 式中厶和五分别为天线工作的上下限频率。 2 相对带宽b 嵋 相对带宽b 是天线绝对带宽v 与中心频率兀之比，即 召= 万a f = 盘 ( 2 - 3 ) 2 一般相对带宽取值范围为0 终 ，太上 、 移 、一 y i 7 、 矿o l 、 v y 频率，g 图4 6 三种天线回波损耗仿真比较 -，、撼鞲描匝 安徽人学硕1 ：论文：小型化及陷波超宽带天线设计 4 3 天线参数优化讨论 渐变的带线结构能够起到很好的阻抗变换作用，可以有效的解决由直接切割 而引起的阻抗失配的问题。为了使天线能有具有超宽带的带宽，我们还需要对天 线其他结构尺寸进行适当的调整。下面对影响天线回波损耗的参数进行研究。 1 厶对天线回波损耗的影响 使天线输入端的阻抗定为5 0 f l ，共面带线底部的宽度孵定为4 5m m ，而顶 部的宽度形定为ln l l t l ，槽宽g 为0 3 r a m 。馈线的特性阻抗随着其导体带线宽度 的增加而减小，通过适当调节带线的渐变程度( 即调节的长度) 可以实现阻抗变 换，厶决定着共面带线的渐变程度。图4 7 为天线回波损耗随厶的变化关系，图 中l 3 分别取了6m n l 、7m m 、8n 1 1 t l 、9n i i n 。当厶在6m m 到7n 1 1 t l 时，天线在 工作频带内的阻抗匹配良好，但是下限工作频率不满足超宽带带宽的要求。随着 厶的增加天线阻抗匹配出现恶化，上限工作频率也随之降低。可见高度厶对天 线的阻抗匹配影响非常大。 - - - - - - 一l 3 = 6 m m - 一l 3 = 7 m m ：狳 - - - - - - 一l 3 = 8 m m 矿锈、- m 1 3 1 9 m m 93 心厂丧- 么 _ l 渗。 弋 ：圹 弋 、r -f r 飞i 毡 1 l l y 鞭矗日 图4 7 天线回波损耗随厶的变化 2 厶和对天线回波损耗的影响 墨曩疆匝 第p q 章对称切割实现天线小型化 图4 8 为辐射贴片的长度厶从7m m 变化到1 0m m 时天线回波损耗的变化曲 线。从图中看出随着l l 的变化，影响最大的是天线的第一和第二谐振频率。辐 射贴片长度的增加，第一和第二谐振频率上升，与此相对应的，天线下限工作频 率也随之升高。可见天线的下限工作频率可以通过调整厶来调节。 从图4 9 可以看出，辐射贴片宽度职为5 5m m 时，天线在8g h z 到9 5g h z 频带内的阻抗失配较严重。随着职的增加天线在此频带内的阻抗失配问题得到 了一定的改善，当职增加到7 5m m 时，天线在整个工作频带内阻抗匹配良好。 从图中还以看出天线第三谐振频率随着的增加而降低，与此相对应的，天线 上限工作频率也随之降低。可见天线的最高工作频率可以通过调整暇来调节。 - - - 一l t = t m m 场氏 l 1 8 胁 - - - 一l 1 = 9 m m v 奢 l 1 1 0 r a m 孙l ” 饿 移“| 眵一忒夕弋l - n。 o f 鼢8 + & 厶彩 ， 潮 v v 图4 8 天线回波损耗随厶的变化 安徽人学硕 ：论文：小型化及5 f j 波超宽带天线设计 w 2 g 5 r a m 口；燃 w 2 = g 5 m m - j w 2 = 8 5 m r n f 1 誉 一一、 。、， 时。 歹一心 - 驻孓x 。弋? 勿切夤：然 f 磁 。fj l w ” w 斌 o v f 叼 | 。 。 v 鞭矗砒 图4 9 天线回波损耗随的变化 3 厶对天线回波损耗的影响 图4 1 0 为天线回波损耗随厶的变化关系，图中厶分别取了0 5r l l l t l 、l r n l n 和1 5i t l r n 三个数值。当厶增加，辐射贴片的渐变性增大。当厶= o 5 r a m 时，天 线在整个频带内阻抗匹配良好，随着厶的增加，天线在4 5 g h z 到5 5 g h z 和 7 5 g h z 到8 5 g h z 的频段阻抗特性恶化。可见厶对天线性能的影响主要表现在 天线的阻抗匹配上。 墨 委 匝 一l 叫乱勖- 帅 - - - 一i , , , , 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 莎、 - - - 一k , l a 0 f a n m 厂、 过r _ 、 多心 钐 豸 r 忒 v r 弋 ” n v 曩船h 瞳 图4 1 0 天线回波损耗随厶的变化 3 8 第p q 章对称切割实现天线小型化 通过以上的分析，对天线结构参数进行了综合优化设计，最终确定天线的尺 寸如表4 3 所示，并以此尺寸对该天线进行了加工，天线实物图如图4 2 b 所示。 表4 3 天线具体参数 参数数值( m m ) 参数数值( m m ) 参数数值( m m ) 1 2 2 6 哆 4 5 g0 3 厶 9 厶 1 8 厶 7 厶 l l 7 5 口 i6 2 dl 墨 8 局 3 5 4 4 小型化天线的频域特性研究 利用a g i l e n tn 5 2 3 0 a 矢量网络分析仪对天线回波损耗进行测量。图4 1 1 分 别为天线回波损耗仿真结果和实测结果。由两图可见，两者吻合较好，天线测量 的1 0d b 阻抗带宽为3g h z 到11 6g h z 。天线阻抗带宽满足超宽带对带宽的要 求。 一、 1 、 、 、 、 弋i _ _ iv 。：” ( a ) 天线同波损耗仿真结果 安徽人学顺卜论义：小型化及陷波超宽带天线设计 ( b ) 天线回波损耗实测结果 图4 11 天线回波损耗仿真和实测结果 图4 12 为天线分别在3 5 g h z 、5 5 g h z 、7 5 g h z 和9 5g h z 处远场增益方向 图，在3 5 g h z 到9 5 g h z 的频率范围内，天线h 面具有良好的全向性，而e 面 方向性已经不再类似于偶极子天线的e 面方向图，这是由于切半所引起的。由 此可见切半处理对天线方向图的影响是非常大的。但是超宽带系统对天线方向图 的要求是天线在某个面上具有全向性，而切半后天线的h 面则能够满足该要求。 。一。 ( a ) 3 5 g h z 。一。 ( b ) 5 5 g h z 第1 n j 章对称切割实现天线小型化 貂 霸 薯1 q jm m j j 髫j ：朝 ：j ：j ( c ) 7 5 g h z 图4 1 2 天线远场增益方向图 m ； 一， t ( d ) 9 5 g h z 天线增益仿真结果如图4 1 3 所示。与第三章天线增益相比，小型化后的天线 增益有一定程度的降低，这种变化主要是由于天线体积的减小所引起的。从图中 可以看出，天线的增益变化范围为2 9 d b i 5 8 d b i ，在整个工作频带内变化较为 稳定。 s 曼 4 盘 孑 3 2 b 咐胡妇一侧n 列 、 。 矿z ； ! 1 3 4 5 本章小结 l o1 i _ 即- c v a t 图4 1 3 天线增益仿真结果 本章对上一章设计的超宽带天线进行了切半处理，并利用渐变共面带线对其 进行馈电，在有效减小天线尺寸的同时，改善了天线阻抗匹配特性，并对影响天 线回波损耗的一些参数进行了分析和讨论。通过这种设计可以将平面缝隙超宽带 天线的尺寸减小5 0 。天线的最终尺寸为2 6m m x1 2m l t l l m m ，该尺寸可以容 易地集成到无线u s b 设备上。本章设计的天线具有很大的尺寸优势，为超宽带 4 1 安徽人学硕l 二论文：小型化及陷波超宽带天线设计 天线与无线u s b 设备之问的集成提供了一个很好的范例。 4 2 第五章超宽带天线的| j f j 波波汁 第五章超宽带天线的陷波设计 5 1 引言 f c c 统一规定的超宽带通信系统的频带范围为3 1 g h z l o 6 g h z ，该频率 范围内包含了其他窄带无线通信系统，如w i m a x 的3 3 g h z - - 3 7 g h z 和8 0 2 1 l a 的5 1 5 g h z - 5 3 5 g h z 、5 7 2 5 g h z - 5 8 2 5 g h z 等。为了避免超宽带通信系统与 这些窄带无线通信系统之间产生干扰f 4 5 1 ，超宽带天线应通过传输线与相应频段的 带阻滤波器相连接，如图5 1 ( a ) 所示。天线的带宽从一到以，需要滤除频段 的中心频率分别为厶和厶，因此两个带阻滤波器的中心频率应该对应于厶和 厶。在超宽带通信系统中加入两个带阻滤波器不符合系统小型化的要求，因此 需要找到另外的解决方法。 如果设计出的超宽带天线具有带馅特性，那么就能省去这两个带阻滤波器， 有利于整个系统的小型化，如图5 j 1 ( b ) 所示。因此设计具有陷波特性的超宽带 天线具有很强的实用价值和意义。 ( a ) ( b ) 图5 1 超宽带通信系统实现陷波特性的方法 目前，对超宽带天线进行陷波设计的主要方法有：开槽、添加寄生单元、采 4 3 安徽人学f i ! j l j 论文：小型化及i j f l 波超宽带天线设汁 用分形枝节等，而较为常用的是前两种方法。在第置章天线的基础上，本章利用 开槽的方法设计出具有双带馅的特性的超宽带天线。 5 2 天线结构及参数分析 5 2 1 天线结构分析与设计 通过开槽的方法实现陷波特性，槽的长度为陷波中心频率介质波长的一半， 槽的总长度的近似公式为【4 6 】： 仁瓦而( 5 - 1 )六。砌2 ( s ，+ 1 ) 式中：c 为真空中的光速，为介质的相对介电常数，正砌为陷波频带的 中心频率。通过此公式可以确定开槽缝隙的初始长度，有利于对天线进行优化设 计。 图5 2 为天线结构示意图。槽的宽度为w 。，在w i m a x 频段处陷波槽的总长 度为= i + 2 x 。+ 2 墨一c l 一4 彬，而在8 0 2 1l a 频段处槽的总长度为 l w = 2 x 2 + 2 y 2 一c 2 2 彬，天线其它尺寸与第三章中天线尺寸相同。这种使用半 波长缝隙的方法相当于在天线上附加了一个谐振器，而这个谐振器就是产生陷波 的主要原因。 图5 2 天线结构图 第五章超宽带天线的陷波设计 5 2 2 天线陷波结构参数的分析 由公式5 1 可知，决定陷波中心频率的主要因素为开槽缝隙的长度和宽度， 下面分别对这些参数进行分析。 1 墨对天线回波损耗的影响 图5 3 为天线的回波损耗随正的变化关系。从图中可以看出五的变化主要 影响的是天线第一个陷波频带的中心频率，随着五的增加，第一陷波的中心频 率向低频处移动。这种变化关系可以用公式5 1 来解释，即缝隙长度与陷波中心 频率成反比关系。从图中还可以看出，五的变化对第二陷波频段中心频率的影 响不大。 同理可以分析k 和墨对天线回波损耗的影响与五对其的影响相同。因此可 以通过调节五、】j ：和置的长度来调节天线在第一陷波频段处的陷波特性。 x 1 t a 伽 x 1 = 2 8 m m x 1 = 3 2 m m 、 a x 1 ：3 4 r a m 渊参瓤 彳 剥戳：澎x、：要罱= ， 蓊、l 眢， x ，、一；移。 + 、口， + ，r 飞弋3 矽o-lj 州 弘 - v。 i 。 i l i 顿搴肟 图5 3 天线回波损耗随五的变化关系 2 t 对天线回波损耗的影响 图5 4 为天线回波损耗随五的变化关系。从图中可以看出，随着t 变化， 影响较大的是天线第二陷波频带的中心频率，五越大第二陷波频带的中心频率 安徽人学硕l 二论文：小型化及陷波超宽带天线设计 越低，并且置的变化对第一陷波频段的影响较小。同样通过对砭的研究发现，k 对第二陷波特性的影响和置对第二陷波特性的影响相同。 图5 4 天线回波损耗随五的变化关系 由上面的研究可以看出，天线的两个陷波频带彼此之间的影响较小。因此对 每一个陷波频段可以分别进行独立的设计，这给我们的设计工作带来了很大的便 捷。 w s - o 3 m m w s s o 4 t u r n w s m o 5 n l m l庶 鼻 w s , , o 6 r a n t 、茹妒 雯 ； 。叠 矽 7 l ； ： 厂”? 。啊- 置h 。i 0 巴_ a 留 瓷 惫k 爹： 2 蕊鞋 1暂n ， v - k f 图5 5 天线同波损耗随彬的变化关系 3 形对天线回波损耗的影响 图5 5 为天线回波损耗随缝隙宽度彤的变化关系。随着形的增加，陷波带 第五章超宽带天线的陷波设计 宽也随之增加，而且陷波的最高频率也有一定的偏移。w s 决定了陷波的宽度， 同时结合缝隙的长度变化对回波损耗的影响，合理改变缝隙的长度和宽度可以在 特定频率和带宽内实现陷波特性。为了在3 3g h z - - - - 3 7g h z 和5 1 5g h z - - 5 8 2 5 g h z 频段内实现陷波特性，通过优化组合最终确定缝隙宽度为彬= 0 5 m m 。 为了使天线仍然满足超宽带的带宽，利用h f s s1 3 对天线陷波结构进行了 总体综合优化设计，最终两个陷波结构的尺寸如表5 1 所示： 表5 1 陷波结构的尺寸 参数 x lk置e x j c ic 2 d 形 数值( n u n ) 3 3 8 64 74 63 91 2l5 10 5 5 2 3 天线陷波的原理分析 为理解产生陷波的原因，下面分别从天线表面电流密分布和传输线理论的角 度来进行解释。 ( a ) 3 5 g h z 未加陷波结构时电流分布 ( b ) 3 5 g h z 加入陷波结构时电流分布 鄄 o 、_j ， 瓤 ( c ) 5 5 g h z 未加陷波结构时电流分布 ( d ) 5 5 g h z 加入陷波结构时电流分布 图5 6 天线加入陷波结构前后3 5 g h z 和5 5 g h z 时电流分布示意图 4 7 安徽人学硕卜论文：小型化及陷波越宽带天线设计 利用c s t 仿真软件，分别对天线加入陷波结构前后天线表面电流密度分布情 况进行仿真。图5 6 为3 5g h z 和5 5g h z 时天线未加陷波结构和加上陷波结构 情况下天线表面电流密度的分布。 对比图5 6 中的( a ) 和( b ) 发现，在未加入陷波结构时，天线表面电流在 3 5g h z 处呈现为行波状态，天线能够正常辐射电磁波；而在加入陷波结构后， 天线表面电流在3 5 g h z 处呈现为驻波状态，电流主要集中在缝隙的周围，天线 不能正常辐射，从而产生陷波特性。观察图( c ) 和( d ) 发现，在未加入陷波结 构时，天线表面电流在5 5g h z 处呈现为行波状态，能够正常辐射信号；而在加 入陷波结构后，天线表面电流呈现为驻波状态，天线不能正常辐射信号。 陷波特性产生的原因同样可以通过传输线理论进行分析。在天线中加入半波 长的缝隙结构，近似等效为在天线回路中加入了两个串联的四分之一波长短路枝 节，如图5 7 所示。由传输线理论可知，天线在相应的频率上工作时，短路枝节 等效到天线回路中为开路，此时的反射系数i f l = 1 ，即发生全反射，因此在该频 段处天线不能辐射电磁波，即产生了陷波的特性。 图5 7 加入陷波结构后天线的传输线模型 5 3 天线仿真与实验结果 对具有陷波特性的超宽带天线进行了加工和测试，利用a g i l c n tn 5 2 3 0 a 矢量 网络分析仪对天线回波损耗进行测试，仿真和测试结果如图5 8 所示。天线仿真 结果在3 2 8 g h z 3 8 g h z 和5 2 6 g h z - - 一5 8 2 5 g h z 频段内具有良好的陷波特性， 第五章超宽带天线的陷波波汁 天线测试结果在3 1 3 g h z - - - 3 8 g h z 和5 g h z - - 5 8 g h z 的频段内具有陷波特性， 可见实验和仿真结果之间吻合较好。 o 蛋 善 巷* - _ ”五忑石i 话广一一凶 i 事l a n ( a )天线仿真结果 ( b ) 天线实测结果 图5 8 天线回波损耗仿真与实测结果 图5 9 为天线分别在3 g h z 、4 5 g h z