 Journal of Antennas 天线学报, 2012, 1, 1-7 http://dx.doi.org/10.12677/ja.2012.11001 Published Online September 2012 (http://www.hanspub.org/journal/ja.html) A New Type of Ultra-Wideband Antenna with Multi-Notch* Na Dai1, Xiaodon g Ya ng1,2, Mi ng yuan Zhao1, Xiaoming Zhu1, Bingxin Yang3 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 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 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。 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 *资助信息：黑龙江省自然科学基金重点项目(ZD201115)。 Copyright © 2012 Hanspub 1  一种新型具有多陷波特性的超宽带天线 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 Copyright © 2012 Hanspub 2  一种新型具有多陷波特性的超宽带天线 Copyright © 2012 Hanspub 3 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。 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 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 3. Side view of antenna radiation pattern 图3. 天线的侧面辐射方向图 0.002.004.006.008.0010.00 12.00 14.00 16.00 Freq [GHz] -35.00 -30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 dB(S(1,1)) HFSS Desi gn1 XY Plot 3 ANSOFT m1 m2 Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep Name XY m1 2.4000 -10.1082 m2 15.0000 -9.9660 (a)  一种新型具有多陷波特性的超宽带天线 0.002.004.006.008.0010.00 12.00 14.00 16.00 Freq [GHz ] -35.00 -30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 dB(S(1,1)) HFSSDesign1 XY Plot 1 ANSOFT m2m3 m4 m5 m7m6 Curve Info dB(S(1,1)) Setup1 : Sweep Name XY m23.37 -10.00 m34.47 -10.00 m45.25 -10.00 m55.87 -10.00 m611.61 -10.00 m712.63 -10.00 (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 1.60 3.20 4.80 6.40 90 60 30 0 -30 -60 -90 -120 -150 -180 150 120 Radiation Pattern 1 HFSS De si gn1 ANSOFT Curve Info rETotal Setup1 : LastAdaptive Freq='3GHz' Phi='0deg' rETotal Setup1 : LastAdaptive Freq='3GHz' Phi='270deg' rETotal_1 Setup1 : LastAdaptive Freq='3GHz' Theta='90deg' (a) 3 GHz Copyright © 2012 Hanspub 4  一种新型具有多陷波特性的超宽带天线 2.40 4.80 7.20 9.60 90 60 30 0 -30 -60 -90 -120 -150 -180 150 120 Radiation Pattern 2 HFSSDesign1 ANSOFT Curve Info rETotal Setup2 : LastAdaptive Freq='5GHz' Phi= '0deg' rETotal Setup2 : LastAdaptive Freq='5GHz' Phi= '270deg' rETotal_1 Setup2 : LastAdaptive Freq='5GHz' T he ta='90deg' 2.40 4.80 7.20 9.60 90 60 30 0 -30 -60 -90 -120 -150 -180 150 120 Radiati on Pattern 3 HFSSDe sign1 ANSOFT Curve Info rETotal Setup3 : LastAdaptive F req='7GHz' Phi='0deg' rETotal Setup3 : LastAdaptive F req='7GHz' Phi='270deg' rETotal_1 Setup3 : LastAdaptive F req='7GHz' Theta= '90de g' (b) 5 GHz (c) 7 GHz 2.00 4.00 6.00 8.00 90 60 30 0 -30 -60 -90 -120 -150 -180 150 120 Radiation Pattern 4 HFSSDe si g n 1 ANSOFT Curve Info rETotal Setup4 : LastAdaptive Freq='9GHz' Phi='0deg' rETotal Setup4 : LastAdaptive Freq='9GHz' Phi='270deg' rETotal_1 Setup4 : LastAdaptive Freq='9GHz' Theta='90deg' 2.00 4.00 6.00 8.00 90 60 30 0 -30 -60 -90 -120 -150 -180 150 120 Ra di at ion Patt er n 6 HFS SDes i gn1 ANSOFT Curve Info rETotal Setup6 : LastAdaptive F req='11GHz' Phi='0deg' rETotal Setup6 : LastAdaptive F req='11GHz' Phi='270deg' rETotal_1 Setup6 : LastAdaptive F req='11GHz' T heta='90deg' (d) 9 GHz (e) 11 GHz 2.40 4.80 7.20 9.60 90 60 30 0 -30 -60 -90 -120 -150 -180 150 120 Radiation Pattern 5 HF SSDe sign1 ANSOFT Curve Info rETotal Setu p5 : LastAdaptive Freq='13GHz' Phi='0deg' rETotal Setu p5 : LastAdaptive Freq='13GHz' Phi='270deg' rETotal_1 Setu p5 : LastAdaptive Freq='13GHz' Theta='90deg' (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 Copyright © 2012 Hanspub 5  一种新型具有多陷波特性的超宽带天线 -200.00-150.00-100.00-50.00 0.0050.00100.00150.00200.00 T he ta [deg] 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 Y1 HFSSDesi g n1 XY Plot 7 ANSOFT Curve Info GainLHCP Setup1 : LastAdaptive Freq='7.5GHz' Phi='0deg' GainRHCP Setup1 : LastAdaptive Freq='7.5GHz' Phi='0deg' (a) -38.00 -26.00 -14.00 -2.00 90 60 30 0 -30 -60 -90 -120 -150 -180 150 120 Ra diat ion Patt ern 4 HF SSDe sign 1 ANSOFT Curve Info dB(GainPhi) Setup1 : LastAdaptive Freq= '7.5GHz' Phi='0deg' dB(GainTheta) Setup1 : LastAdaptive Freq= '7.5GHz' Phi='0deg' (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。 参考文献 (References) [1] 孙荣辉, 高卫东, 刘汉, 李乐, 沈旭. 单个互补金属开口谐振 环双陷波超宽带天线[J]. 探测与控制学报, 2011, 1033(5): 15-19. [2] H. Nazli, E. Bicak, B. Turetken and M. Sezgin. An improved design of planar elliptical dipole antenna for UWB applications. Copyright © 2012 Hanspub 6  一种新型具有多陷波特性的超宽带天线 IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010, 9: 264- 267. 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