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研究文章

采用馈电嵌入槽线谐振器的cpw馈电带隙超宽带天线的设计

Amin M. Abbosh

School of Information Technology and Electrical Engineering, The University of Queensland, St. Lucia, Qld 4072, Australia

Correspondence should be addressed to Amin M. Abbosh, abbosh@itee.uq.edu.au Received 1 August 2007; Revised 21 January 2008; Accepted 10 March 2008 Recommended by Hans Schantz

提出了一种具有子带抑制能力的紧致单平面超宽带天线的完整设计方法。在天线的共面波导馈线中加入一个槽线谐振器作为带阻滤波器，使天线通带内任何不需要的带都能被抑制。设计并制造了两个天线样品。其中一种天线不包含谐振腔，而另一种天线包含槽线谐振腔。设计的天线特性紧凑27毫米times;27毫米大小。仿真和测量结果表明，所设计的天线具有3 GHz到11 GHz以上的带宽。结果还表明，在天线馈线上使用谐振器可以有效地拒绝任何不需要的子频带，如分配给IEEE802.11a和HIPERLAN/2的4.9-5.9 GHz频带。天线的增益与谐振器约2.2 dBi通频带,虽然小于minus;8 dBi拒绝部分波段。

Copyright copy; 2008 Amin M. Abbosh. 这是一篇在知识共享署名许可下发布的开放获取文章，它允许在任何媒体中不受限制地使用、分发和复制，前提是正确引用了原文。

1. 介绍

超宽带(UWB)是一种短距离通信技术。在FCC批准UWB在3.1 GHz - 10.6 GHz[1]范围内的营销和运营后，它在研究人员和无线行业中获得了广泛的欢迎。全球对超宽带技术的兴趣正在迅速增加，这是由于该许可豁免宽频带系统的能力，以产生低成本、低能量、短程和极高容量的无线通信链路。

UWB天线除了需要3.1-10.6 GHz的带宽外，还应具备拒绝干扰现有无线网络技术的能力，如美国IEEE 802.11a的4.9-5.9 GHz子频段，欧洲的HIPERLAN/2子频段。因此，需要具有一定波段缺口特性的超宽带天线。能够在天线中提供这种功能，可以大大降低无线通信系统中对滤波电子器件的要求。

[2]是设计带隙超宽带天线的首批尝试之一。a的设计利用遗传算法优化编码实现了超宽带天线在所需频段上具有良好的阻抗匹配。然后采用人工试错法对带隙天线的设计进行修改。在后期，[2]的作者扩展了他们的优化技术，以改善他们的带切口设计[3]的辐射模式。提出了一种基于[4]的频率缺口超宽带天线的系统设计方法。通过有意引入窄带谐振结构，可以使天线具有拒绝特定频率的能力。该技术适用于制作窄频率缺口的超宽带天线，或制作多波段天线。

回顾文献，有许多不同的方法来实现带隙功能。传统的方法切割槽的不同形状的辐射贴片[5 - 7],插入一个狭缝片[8],嵌入到一个大槽内的四分之一波长调谐存根补丁[9],将寄生元素靠近散热器作为过滤器拒绝有限的乐队[10],或引入寄生开路的元素,而不是修改结构的天线调谐存根[11]。

本文介绍了一种具有子带抑制能力的超宽带天线的同设计方法。在天线的共面波导馈线中加入一个槽线谐振器，滤除任何不需要的子带，对天线通带的影响可以忽略不计，而不是像文献中提出的方法那样对散热器进行修改。采用本文提出的方法设计了一种拒绝接收IEEE802.11a和HIPERLAN/2分配的4.9 - 5.9 GHz波段的单平面UWB天线。给出了两种制造天线(一种是无谐振腔天线，另一种是有槽线谐振腔天线)的仿真和测量结果，验证了该方法的有效性。

2. 设计

所提出的超宽频带天线具有在一定子频段上拒绝频率的能力，其结构如图1所示。辐射结构是由半椭圆与矩形贴片连接而成。假设天线采用共面波导馈电以增强其宽带特性。地平面位于CPW馈线附近，呈半椭圆形。

设计过程首先发现尺寸的天线馈线给50Omega;特性阻抗(佐薇)。这可以通过以下公式[12]来实现:

,K(K)是第一种椭圆积分和K(K)= K(radic;1minus;k2),s是中央导体宽度,而wc的槽宽度数据,h是衬底厚度,εr基体的介电常数。根据工作的最低频率(fl = 3.1 GHz)，计算天线结构的衬底厚度及其介电常数、宽度(w)、长度(l)为

其中c为光速。假设天线在xy平面上，尺寸w沿x轴延伸。注意，根据(2)，天线结构的长度和宽度等于衬底介质内部波长的一半。

值得一提的是，(2)给出了一个准确的答案根据衬底介电常数的低值估计天线所需尺寸，即小于4。如果需要对介电常数的任意值求出所需尺寸的粗略估计，可以使用以下公式：

天线的地平面位于CPW附近，是一个大直径等于(w)的椭圆的一半，可以选择地平面的二次直径在(0.5w)左右。

辐射结构位于距离地平面末端g处，由两部分组成。第一部分直接与馈线相连，是与地平面尺寸相同的半椭圆。第二部分是矩形贴片，从半椭圆的一端一直延伸到基片的一端。对g的最佳值进行参数分析表明，为了获得最宽的带宽，g的最佳值应小于衬底h的厚度。在本文的设计过程中，假设g = (h/3)。

请注意，对于散热器和地平面的尺寸的上述选择导致了一个长度等于半波长的水平椭圆偶极子，它从地面上升了大约四分之一波长的距离。

所述设计步骤(1)-(3)产生的天线覆盖整个超宽频带，覆盖范围从3.1 GHz到10.6 GHz。如果需要在此范围内拒绝某个子带，则槽线谐振器可以如图1(a)所示的方式安装在天线的馈线上。谐振腔的结构如图1(b)所示。假设槽线谐振腔的长度等于在拒绝带中心计算出的有效波长的四分之一。

为了了解本文使用的开槽线的影响，共面波导和开槽线谐振腔的传输线模型如图1(c)所示。谐振器相当于短路的端部串联短节。在被拒绝频带的中心，短棒的长度等于四分之一波长，这意味着短棒在其与主传输线的连接点，即本文设计的共面波导，有效地表现为一个开路。这是因为四分之一波长短波的输入阻抗等于Z2 o /Zt[13]，其中Zo是短波的特征阻抗，Zt是短波的终端阻抗，在本文考虑的短波中为零。在远离短节谐振频率的频率下，谐振腔对性能和馈线的影响可以忽略不计，因此，天线表现得就像没有谐振腔一样。

需要注意的是，为了有效地利用可用的短节空间，并使天线在尺寸上紧凑，短节以图1(b)所示的方式折叠。

图1:(a)拟议天线的配置;(b)槽线谐振器的详细信息;(c)谐振器的传输在线模型。

3.结果

提出了超宽频天线设计使用GML1032衬底介电常数等于3.2,切损失tandelta;= 0.004,和1.52毫米的厚度。首先利用本文提出的设计步骤计算天线和谐振腔的设计参数值，然后利用Ansoft HFSSv10软件进行优化。优化值为:w = l = 27 mm, s = 2.9 mm, wc = 0.25 mm, g = 0.5 mm, lr = 11 mm, ws = 0.3 mm, sr = 0.1 mm。

制作了两个天线样品，一个没有槽线谐振腔，另一个有槽线谐振腔。通过使用HFSSv10软件进行仿真，并在消声室中使用矢量网络分析仪进行测量，对所研制的天线的特性进行了测试。图2显示了所研制天线的SWR随频率的变化。以SWR= 2(或10 dB回波损耗)为参考，无谐振腔天线的仿真和实测特性显示了带宽在3 GHz至11 GHz以上的超宽带行为。从图2中还可以清楚地看出，对于带有谐振腔的天线，不需要的子频带被调谐掉了，而天线的宽带特性保持不变。模拟结果与实测结果吻合较好。

值得一提的是，谐振腔sr的槽宽可以用来调整被拒绝子带的宽度。利用HFSS软件进行的参数分析表明，sr的增加增加了被拒绝频带的宽度及其拒绝程度，即拒绝频带的VSWR越大，槽宽越大。此外,参数分析表明，图1(b)中以谐振腔为边界的馈线部分宽度ws对抑制程度有显著影响。利用优化技术，可使被拒绝频带的所需宽度与被拒绝的级别达到一定的折衷。

从超宽带应用的角度来看，天线通常要求具有全向辐射。对于所设计的天线，如图3所示，对于没有谐振腔的天线，在整个带宽上都满足了这一要求。带有谐振腔的天线的辐射模式与图3所示的结果相似，因此在这里没有显示。

图4显示了所研制天线的测量增益在超宽带范围内的变化。从图4的结果可以看出，天线的增益较低，这与全向天线的预期行为一致。无谐振腔天线的增益随着频率的增加，从3.1 GHz时的0 dBi左右增加到9-11 GHz时的3 dBi左右。对于带槽线谐振腔的天线增益，测量结果如图4所示，除了被拒绝的子带外，增益的一般行为与没有谐振腔的天线相似。整个乐队4.9 GHz 5.9 GHz,获得可以低至minus;8 dBi,谐振器时使用,而2.2 dBi天线谐振器。这证明了所提出的谐振腔具有较强的抑制非理想子带的能力。

最后研究了设计的带谐振腔和不带谐振腔天线辐射效率的变化。使用HFSS软件计算的结果表明，所提出的天线具有良好的效率，在期望频带内的效率大于92%。

图2:SWR随频率的变化。

图3:天线在(a) 3ghz和(b) 6ghz处的实测辐射图。

图4:制造天线的测量增益随频率的变化。

4. 结论

本文提出了一种具有带隙特性的紧凑超宽带天线的完整设计方法。子带抑制是通过在天线的共面波导馈线中加入一个槽线谐振器来实现的。为验证所提出的方法，设计了两个天线样本

制造:一个不包含谐振器，而另一个包含槽线谐振器。仿真和测量结果表明，所设计的天线具有3 GHz到11 GHz以上的超宽带性能。实验结果还表明，该谐振腔可以有效地抑制任何不希望的频段，如4.9-5.9 GHz频段，在该频段谐振腔天线的增益降低了10 dB以上。

承认

作者感谢昆士兰大学通过博士后研究奖学金提供的资金支持。

参考文献

[1] Report and Order in the Commissionrsquo;s Rules Regarding

Ultra-Wideband Transmission Systems,” Released by FederalCommunications Commission, April 2002.

[2] A. J. Kerkhoff and H. Ling, “Design of a planar monopoleantenna for use with ultra-wideband (UWB) having a bandnotched characteristic,” in Proceedings of IEEE Antennasand Propagation Society International Symposium (AP-S rsquo;03),vol. 1, pp. 830–833, Columbus, Ohio, USA, June 2003.

[3] A. J. Kerkhoff and H. Ling, “Design of a band-notched planarmonopole antenna using genetic algorithm optimization,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 55, no. 3,pp. 604–610, 2007.

1. H. G. Schantz, G. Wolenec, and E. M. Myszka III, “Frequencynotched UWB antennas,” in Proceedings of IEEE Conference Ultra Wideband Systems and Technologies (UWBST rsquo;03), pp.214–218, Reston, Va, USA, November 2003.

[5] A. M. Abbosh, M. E. Bialkowski, J. Mazierska, and M. V. Jacob,“A planar UWB antenna with signal rejection capability inthe 4–6 GHz band,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 16, no. 5, pp. 278–280, 2006.

[6] Y.-J. Cho, K.-H. Kim, D. H. Choi, S. S. Lee, and S.-O. Park, “Aminiature UWB planar monopole antenna with 5 GHz bandrejection filter and the time-domain characteristics,” IEEETransac

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