Journal of Antennas
Vol.1 No.1(2012), Article ID:2919,6 pages DOI:10.4236/ja.2012.11001
A New Type of Ultra-Wideband Antenna with Multi-Notch*
1College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin
2School of Information Science, Meisei University, Tokyo, Japan
3Wireless Network Optimization Engineer, China Mobile Group Heilongjiang Company Limited Harbin Branch, Harbin
Email: daina5056@sina.com
Received: Aug. 13th, 2012; revised: Aug. 20th, 2012; accepted: Aug. 22nd, 2012
ABSTRACT：
A design method of three notch for ultra-wideband antenna (UWB) is presented in this paper. Circular monopole antenna as the prototype of the ultra-wideband antenna, a coplanar-waveguide (CPW) coupled-fed is applied in the antenna. The antenna has a large bandwidth covering the frequency band from 2.4 GHz - 15.1 GHz with return loss larger than 10 dB. Notch characteristics is achieved by complementary split-ring resonator (CSRR) embedded in the circular monopole antenna. Multi-notch is implemented in 3.3 GHz to 4.4 GHZ, 5.25 GHz - 5.87 GHZ, 11.61 GHz - 12.63 GHz. Thus avoiding interference between the band and other bands of ultra-wideband, and the ultra-wideband antenna has a good omni-directional radiation.
Keywords: UWB; CPW; Multi-Notch; CSRR
一种新型具有多陷波特性的超宽带天线*
代 娜1，杨晓冬1,2，赵鸣远1，朱晓明1，杨冰欣3
1哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨
2日本明星大学情报学部，东京，日本
3中国移动通信集团黑龙江有限公司哈尔滨分公司，哈尔滨
Email: daina5056@sina.com
摘 要：
本文提出了一种三陷波特性超宽带天线的设计方法。该天线以圆形的单极子天线为原型采用共面波导互耦的馈电方式。天线的辐射频率覆盖的带宽在2.4G Hz~15.1 GHz，其相应的回波损耗大于10 dB。通过在圆形单极子天线中嵌入互耦环缝谐振器(CSRR)实现超宽带的陷波特性。文中在3.3 GHz~4.4 GHZ，5.25 GHz~5.87 GHZ，11.61 GHz~12.63 GHz的三个频段实现了陷波，可以避免超宽带频段与其他频段之间的干扰。而且超宽带天线(UWB)具有良好的全向辐射特性。
收稿日期：2012年8月13日；修回日期：2012年8月20日；录用日期：2012年8月22日
关键词：超宽带天线；共面波导；多陷波；互耦环缝谐振器
1. 引言
美国联邦通信委员会(FCC)于2002年将3.1 GHz~ 10.6 GHz频段划归为超宽带(UWB)的民用使用频段[1]，UWB系统的设计和应用成为民用无线通信领域激烈竞争的焦点。UWB[2-5]通信系统不仅要求天线具有很小的体积、较宽的带宽、一定的辐射效率和全向覆盖特性，还要具备较好的脉冲信号保真度。然而，许多UWB天线虽具有较大的阻抗带宽和良好的辐射方向图，却难于制造且不易与射频前端集成。超宽带天线设计的主要要求包括[1,6]：在超宽频带(3.1 GHz~ 10.6 GHz)频段内阻抗匹配、天线小型化以及较低的制造成本[1,6,7]。常见的小型化UWB天线主要包括单极子天线与宽缝隙天线。前者的设计方案主要包括印刷型单极子与板状单极子，一般通过把单极子的形状设计为水滴形、多边形或椭圆形即可获得UWB工作特性，后者则一般采用宽缝隙结构，通过调整支节的尺寸参数获得UWB特性，其优点是集成度较高。
然而，在超宽带系统指定的频段内已经存在着一些窄带系统，例如在欧洲和美国被分配用于无线局域(WLAN)服务的HIPERLAN/2频带(5.15 GHz~5.35 GHz，5.470 GHz~5.725 GHz)和IEEE802.11 a频带(5.15 GHz~5.35 GHz，5.725 GHz~5.825 GHz)卫星通信C波段上行(3.7 GHz~4.2 GHz)，以及在一些欧洲和亚洲国家用于WiMAX服务的3.3 GHz~3.6 GHz频带都工作在UWB频带内[7]。这些系统的信号会对超宽带通信产生干扰。
在一些应用中，引入了滤波器以抑制这些窄带系统的干扰，这样就增加了超宽带系统通信的成本和复杂性。所以寻找一种简单而有效的方法使天线实现高的回波损耗，也就是使超宽带天线在WiMAX和WLAN等的干扰频段内均呈现较大的发射系数，即具有陷波功能。近年来，出现了一些具有陷波功能的超宽带天线[8]。设计具有陷波功能的超宽带天线的方法有很多，最常用的是在辐射贴片或接地面上开槽的方法，或者是在天线上添加调谐单元或寄生单元。
为使天线具有多陷波特性，本文对文献1进行改进，在微带线的梯形上面增加七边形来扩展带宽，通过嵌入互补谐振器[1,6,7](CSRR)实现超宽带的陷波性能，均能避免对已存在无线通信系统造成干扰。对文中的天线的研究设计采用电磁仿真软件HFSS13进行仿真和分析。
2. 天线的设计
本文对文献1的天线进行改进，如图1(a)和(b)所示，采用共面波导[2,3,8,9]互耦馈电的超宽带天线[10]，天线主要包括圆形的辐射贴片和馈电结构，两个结构分别印刷在材料Rogers RT5880上，其相应的相对介电常数εr = 2.2，厚度h = 0.4 mm，介质的损耗正切为0.0009的天线前后两个面。
介质板的尺寸a = 42 mm，b = 32 mm。辐射贴片由一个圆形的单极子天线构成其半径为R = 12 mm，其中c = 25.6 mm。共面波导的传输线具有50 Ω的特
(a) Antenna radiating patch monopole antenna (a) 天线的辐射贴片单极子天线
(b) Feeding structure of antenna (b) 天线的馈电结构
Figure 1. A coplanar-waveguide (CPW) coupled-fed of antenna (a) Front view and (b) back view
图1. 共面波导耦合馈电结构天线的(a)前面和(b)后面
性阻抗，传输线的末端采用一个梯形结构添加七边型，七边型是以上底边顶点为中心。梯形上底边长L2 = 7.6 mm，下底边长W2 = 1.2 mm，高H = 4 mm，传输线的宽度采用渐变式结构由W3 = 1.6 mm到W2 = 1.2 mm，这样可以使天线具有一个良好的阻抗匹配特性。共面波导两侧矩形尺寸L1 = 15.6 mm，W1 = 15 mm。
文章为了使天线具有多陷波的特性，刻蚀了三个互相嵌套的同心圆环，并在其下方进行开口的互耦环缝谐振器(CSRR)[1,6,7]结构。互耦环缝谐振器是相当于添加调谐单元实现天线的陷波性能。通过调节金属环的半径和开口缝的大小，来实现天线的三陷波。天线的正面辐射贴片结构如图2所示，天线的侧面俯视图如图3所示。
图2中互相嵌套的同心圆环结构尺寸如下：R1 = 4.96 mm，R2 = 4.78 mm，R3 = 4.12 mm，R4 = 3 mm，R5 = 2.262 mm，R6 = 2.24 mm。开口缝隙宽度t = 0.2 mm。
3. 天线的特性分析
基于在第二部分的天线设计，我们可以分别对天线刻蚀互补环缝谐振器结构(CSRR)和原本共面波导互耦馈电的超宽带天线进行分析，对比天线的S11参数(回波损耗)如图4所示。
通过电磁仿真软件HFSS13对天线结构进行仿真分析。图4(a)可以看出天线的S11(与回波损耗参数成反比)参数小于–10 dB，所对应的超宽带带宽为2.4 GHz~15.1 GHz。这个超宽带频率覆盖了所规定的超宽带带宽3.1 GHz~10.6 GHZ，表明了天线符合超宽带天线的标准。图4(b)显示的是天线在刻蚀互耦环缝谐振器后，具有陷波特性的超宽带天线。在频率3.3 GHz~ 4.4 GHZ，5.25 GHz~5.87 GHZ，11.61 GHz~12.63 GHz的范围内天线的回拨损耗大于10 dB，信号在此三个频率期间产生衰落，使其存在良好的带阻特性。可以避免在通信系统传输中欧洲Wimax(3.3 GHz~3.6
Figure 2. Configuration of band-notched CSRR in front of antenna
图2. 带有刻蚀CSRR的正面的天线结构
Figure 3. Side view of antenna radiation pattern
图3. 天线的侧面辐射方向图
(a)
(b)
Figure 4. S11 parameter of (a) UWB and (b) band-notched CSRR
图4. (a) 原始超宽带天线的S11参数；(b) 添加CSRR的S11参数
GHz)、卫星通信C波段上行频段(3.7 GHz~4.2 GHz)、Wimax(5.25 GHz~5.850 GHz)、局域网WLAN(5.725 GHz~5.825 GHz)及卫星通信Ku波段的干扰。
从上述对图4的仿真结果进行分析，S11参数(回波损耗)良好的呈现了天线的超宽带特性和天线的带阻特性，避免了在通信系统传输中其它频段的干扰。
超宽带天线的工作带宽不仅取决于天线的驻波带宽、回拨损耗带宽还取决于天线的辐射方向图的带宽。仿真结果如图5、图6所示，其中图5给出了天线的3D辐射方向图，图6给出了3 GHz、5 GHz、7 GHz、9 GHz、11 GHz、13 GHz的E、H面辐射方向图。
其中图6所示的方向图中表X-Y面(θ = 90˚时φ为变量)，为E面的辐射放向图。X-Z面或Y-Z面(φ = 0˚或φ = 270˚时，θ为变量)，为H面的辐射方向图。
由图5和图6的仿真图，我们可以全方位进一步分析出天线的辐射特性，在低频段内无论是E面、H面都有非常良好的辐射特性，虽然随着频率的增加，高频段辐射模式进行分裂出现旁瓣，但是这与单极子天线的辐射模式相似。即使在不同的频率阶段辐射略有偏差，但是基本满足超宽带天线的全向辐射特性。下面我们将讨论天线的极化特性，仿真结果如下图7的(a)、(b)所示。
图7(a)所示，表示除了在–180˚ < θ < –160˚的范围
Figure 5. The 3D radiation pattern of the antenna
图5. 天线的3D的辐射图
(a) 3 GHz (b) 5 GHz (c) 7 GHz (d) 9 GHz (e) 11 GHz (f) 13 GHz
Figure 6. Radiation pattern of the UWB. (a) E and H plane normalized radiation patter of 3 GHz; (b) E and H plane normalized radiation patter of 5 GHz; (c) E and H plane normalized radiation patter of 7 GHz; (d) E and H plane normalized radiation patter of 9 GHz; (e) E and H plane normalized radiation patter of 11 GHz; (f) E and H plane normalized radiation patter of 13 GHz
图6. 超宽带天线的辐射方向图。(a) 3 GHz的E面H面归一化辐射方向图；(b) 5 GHz的E面H面归一化辐射方向图；(c) 7 GHz的E面H面归一化辐射方向图；(d) 9 GHz的E面H面归一化辐射方向图；(e) 11 GHz的E面H面归一化辐射方向图；(f) 13 GHz的E面H面归一化辐射方向图
(a)
(b)
Figure 7. Simulation of the polarization characteristics of the antenna. (a) gain of right-handed and left-handed polarization; (b) the horizontal direction figure of the antenna
图7. 天线的极化特性仿真。(a) 右旋极化与左旋极化的增益图；(b) 天线的水平面方向图
内有小幅的波动偏差，天线的左旋极化增益和右旋极化增益值相等，说明天线具有线极化特性。从图7(b)水平面方向图可知这时候Gaintheta比Gainphi大很多的，水平极化就是该天线的主极化。
4. 结论
本文提出了一种共面波导耦合式馈电的超宽带天线，在其基础上通过刻蚀互耦环缝谐振器(CSRR)来实现超宽带天线的陷波特性。天线在2.4 GHz~15.1 GHz实现超宽带，有良好的阻抗带宽符合超宽带的带宽范围。为了避免在通信系统传输过程中其他频段的干扰，文章使天线在3.3 GHz~4.4 GHZ，5.25 GHz~5.87 GHZ，11.61 GHz~12.63 GHz三个波段内实现带阻特性。同时分析了天线的辐射特性，得出天线的辐射特性基本趋向于全向性符合超宽带天线的要求。该天线体积小，质量轻，便于加工，在超宽带系统中有很好的使用价值。也为后续研究多陷波的超宽带天线提供参考。
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NOTES
*资助信息：黑龙江省自然科学基金重点项目(ZD201115)。