一种双陷波超宽频带天线设计研究

刘晓萍

陕西长岭电子科技有限责任公司，陕西宝鸡， 721006

摘要:超宽带数据无线通信传输技术被广泛认为已经是目前解决全球无线通信系统数据质量传输速率带宽瓶颈的一个有效解决方法,这是因为它在一个很宽的速率频带上可以传输数据,带宽从3.1-10.6GHz(7.5GHz)。本文基于应用双陷波高速宽频带专用天线设计相关技术理论,对应用双陷波宽频带专用天线的基本设计技术要求及工作过程原理进行了深入探讨,为天线相关技术领域设计工作开展提供了理论指导。

关键词：带宽；双陷波超宽频带天线；设计；指导

1 引言

在整个现代化的超宽带无线通信技术系统中,超宽带无线通信系统天线控制技术不仅是重要的组成部分和核心技术也是研究应用领域中的热点。超宽带速率无线通信系统网络中该系统的最高网络工作宽度速率网络频段几乎完全覆盖了其它的所有在超窄带速率无线通信系统网络中的系统工作速率频段,如3.3~3.6GHz的无线城域网(WiMax)无线频段和5.1~5.9GHz的无线网络局域网(WLAN)无线频段。这些射频通信天线系统的大量存在可能会对这些超宽带通信天线的特定工作频率产生一定的电磁干扰。为了有效抑制这些陷波干扰,可以在目前超宽带天线的技术基础上进行引入一种新型陷波天线结构,使陷波天线技术成为一种具有降低频带陷波阻隔干扰效应的新型陷波宽带天线,因此双通道陷波宽带天线技术具有十分重要的技术研究应用价值。

2 超宽频带技术背景

2.1 超宽频带的发展历史

超宽带移动通信无线技术是它是一种很好的有发展潜力且切实可行的通信技术,对我国无线通信的进一步深入发展应用具有重要变革性的推动作用。它的基本概念最早可以追溯到18世纪末期马可尼发明的新式火花炮在间隙使用脉冲发射无线电。在此之后的几十几百年间,这个重要发明被广泛用来无线电波传输阿尔莫斯码。窄带铁路通信网络系统本身具有各种易于控制和协调的强大特性,到了1924年,通信界基本抛弃了采用超宽带网络通信的传统技术而重新选择了采用窄带网络通信。在1942~1945年,超宽带通信领域已经有了新的技术发展,人们开始研究并提出了用于解决宽带脉冲波对无线电通信系统的射频干扰和宽带不稳定性的复杂问题的一种方法并成功申请了发明专利。

2.2 超宽频带的定义

超宽带传输技术通常是一种新兴的无线语音数据视频传输处理系统技术标准,它通常能够为您提供很高的视频数据无线传输速率。超宽带发射系统主要发射的是接收宽带脉冲信号波形的发射信号,这种发射信号应用相对于目前传统的高频窄带正弦波发射信号,在特定时域的应用范围很窄,但在频域的应用范围比较宽。2005年FCC标准给出了室内超宽带传输系统的新标准定义,即对于室内传输应用来说,任何一个传输射频信号在3.1-10.6GHz的宽频带内且传输频带宽度一定大于500Mhz,功率谱屏蔽密度的一定大小大于满足了如图1所示的室内频谱屏蔽密度数值的一定大小的传输系统都应该可以被系统称为室内超宽带传输系统。这也就意味着用于超宽带的通信概念不仅仅能够局限于通信脉冲电和无线电,它可以适用于任何通信带宽必须超过500Mhz且必须满足用于超宽带通信系统其它重要技术参数的通信系统。

图1 室内与室外发射屏蔽值

2.3 超宽频带技术的优点

1)由于采用超宽带数据网络传输技术，即使它本身占据着极其宽的数据网络传输带宽以及数据传输资源。根据Shannonn理论,信道容量与数据网络传输带宽值的大小必须成正比,所以如果一个超宽带通信设备能够具有很大的信道容量进而也就是说可以直接通过利用依赖其很宽的无线频谱数据网络传输资源为其他宽带无线通信网络设备用户提供更高的无线频谱数据信号网络传输速率。它甚至已经可以直接达到能够支持在1-10米的网络长度覆盖范围内几百个多节点的通过Mbps甚至几个Gbps的高速无线网络来对数据进行传输的非常高速率。

2)采用超宽带无线通信控制系统的滤波发射接收信号的滤波功率谱线和密度极低。在室内无线通信网络系统的工作环境下,超宽带无线信号会被掩蔽在其它室内无线通信网络系统的最大信号传输功率中。如果将一个超宽带滤波信号的高频功率平均分配应用到整个滤波频带上,超宽带滤波信号的高频功率谱平均密度远远低于通常高频环境下的高斯的无噪声的频带功率谱平均密度,如下表图2所示。

图2 超宽频带信号的频谱分布

3)由于超宽带发射系统通信是一种无复杂载波的射频通信传输系统,超宽带发射系统通信传输的射频数据不一定需要射频调制发送到一个具有指定载波频率的复杂连续射频载波上,因此,超宽带发射系统通信相比于采用载波射频调制的复杂窄带发射系统往往需要更少的载波射频通信组件,进而系统的成本造价和系统复杂性都相对较低。

2.4 超宽频带技术的应用

1)超宽带技术是可替代的线缆。以往高速数据传输需要通过线缆来保证速率和可靠度，而超宽带技术则能在小范围内实现低速率、无线数据低功耗传输，因此超宽带技术可以代替线缆连接到个人局域网上( Wpan )。2)超宽带技术在定位与跟踪领域得到了应用。超宽带技术具有极高的无线数据传输能力，这一性质使得它在室内定位上比 GPS技术更精确。通常在户内环境中，追踪目标的精确度可达几厘米以内。3)在雷达技术和成像领域也可用超宽带。这种技术在战场上得到了应用，它可以定位敌人后面遮挡的位置。

3 天线设计相关理论

3.1 天线的基本理论

1）天线的带宽

天线带宽的定义是指在可接受情况下，天线的某些性能所处的频率范围。从输入阻抗的角度来看，阻抗带宽也表示了性能范围，即加载到天线输入端口90%以上的电能通过天线辐射产生电磁波。天线的宽度可分为绝对带宽(ABW)和分数率(FBW)两大类。fh和fl分别代表了天线的最高频率和最低频率。绝对带宽(ABW)和分数带宽(FBW)由式(1)和2式给出：

（1）

（2）

2）辐射模式

它是空间坐标下天线辐射性能的函数图形。当空间场和功率密度用球坐标系的 和 两个角变量表示时，描述辐射特征的图像就是三维形状的辐射模式。通常，辐射模式计算天线远距离的电磁场值，在这一区域内辐射功率的空间分布值不与距离有关。一般而言，辐射模式图的值为场值归一化后的数，而归一化值则是由场和最大场的比率求得的。

3）方向性

方向性特征是用来指辐射天线指向辐射物体方向的一种特征。方向角度D参数是一种发射参数，用来用于测量这种发射天线与各向的异同性发射天线在一定角度方向上的电磁辐射驱动能力相互的对应。方向长度D的实际数值及其定义公式如下(3)：

（3）

3.2 超宽频带天线的设计要求

与设计普通天线不同，超宽带天线设计要求某些参数更加严格。超宽带天线最大的区别在于它有着很宽的阻抗带。根据FCC 的定义，一个可使用的UWB 天线必须满足绝对带宽的不小于500 Mhz 或分数频率的要求，而不小于0.2 mhz 。这个参数表示超宽带设计带宽最小值，对于普通实际使用的超宽带天线来说，阻抗率远大于这个最小值，本文所设计的超宽带天线在3.1-10.4 GHz 的整个频段内工作，宽度在7.5 GHz 之间。

4 双陷波特性的超宽带天线

4.1 天线设计

1）双陷波特性设计

通过使用SRR 即开口谐振环结构(Split Ring Resonator )，对互补开口环的半径和开口角进行优化，并在圆形单极子的超宽带天线上加入双陷波特征。最终获得超宽带天线3.1-10.4 GHz 的超宽带特征，同时在 WiMax (3.5 GHz )和 WLAN (5. 5Ghz )产生双陷波特征，即所谓的双陷波性超宽带天线，如图3所示的 CSRR 结构双陷波天线的设计过程。

图3 基于 CSRR 结构的双陷波超宽带天线设计

2）天线的结构形状

设计了双极子陷波通信超宽带天线单极子通信天线，如所示图4。介质基板结构采用介电常数 ，损耗保护角 ，厚度h=1毫米的新型聚四氟乙烯介质材料。

图4 基于CSRR结构的双陷波超宽带天线结构图

基板尺寸为 w =13毫米， l =25毫米。表1是天线几何的尺寸。

表1 天线的结构尺寸

h	w	g	d	R	R1	R2	R3	t
22.5	1.2	0.4	1	6.5	5.5	3.6	5.2	0.4	20°	28°

4.2 仿真验证与分析

为了证明陷波性的存在，采用 hfssv11 电磁场模拟软件，对天线表面的电流密度进行计算，选取位于陷波段和频带内的电流密度点，观察陷波频段的变化。以3.5 GHz 、5.5 GHz (驻波)和7.5 GHz 、9.5 GHz (行波)的例子，如图中所示。

（a）3.5GHz电流分布图	（b）5.5GHz电流分布图
（c）7.5GHz电流分布图	（d）9.5GHz电流分布图
图5天线电流分布图

可以看出，在3.5GHz和5.5GHz频率处，天线的表面电流密度集中在CSRR内外开槽附近，CSRR产生谐振；在7.5GHz和9.5GHz频率处，天线表面电流密度分布在馈线和辐射贴片周围，呈现行波状态，这也就说明CSRR作为谐振器，影响了辐射贴片在3.5GHz和5.5GHz处的电流分布，从而产生了陷波。

5 结论

根据本文的说法，双陷波超宽带天线的结构具有较小、简单等优点。在天线设计中，主要关心的是天线阻抗率、辐射方式、电流分布以及增益等天线的重要性能。同时，对天线关键结构的几何参数进行分析，以获取这些结构影响天线的性能，并获得最佳天线性质。

参考文献：

[1] Z. Chen, T. See and X. Qing.Small Printed Ultra Wideband Antenna with Reduced Ground Plane Effect[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, pp. 383-388, February 2007.

[2] 孙荣辉,高卫东,刘汉等.一种新颖的双陷波超宽带天线设计[J].微波学报,2012,28(2):62-65.

[3] 刘起坤,邢峰,张广求.一种新型的双陷波超宽带天线设计[J].微波学报,2019,27(1):40-43.