共面波導(dǎo)饋電平面小型化超寬帶天線設(shè)計

共面波導(dǎo)饋電平面小型化超寬帶天線設(shè)計周兵;鄒傳云【摘要】Theoperatingfrequencybandofultra-wideband(UWB)systemsoverlapwiththefrequencybandsofexistingnarrowbandsystemssuchasworldinteroperabilityformicrowaveaccess(WiMAX)andwirelesslocalareanetwork(WLAN),whichcancausesystemstointerferewitheachother.InordertoeffectivelysuppresstheinterferenceoftheexistingnarrowbandsystemtotheUWBcommunicationsystem,onthebasisofthemonopoleantenna,anUWBantennahavingdoublenotchisdesignedbyslottingarectangularradiatingpatchwithanL-shapedbranchstructure.Whenthevoltagestandingwaveratioislessthan2,theantennaoperatingfrequencyrangeis2.5~16GHz,anditsimpedancebandwidthis13.5GHz.ThebiggestfeatureoftheantennaisthedualtrapcharacteristicsinthefrequencyrangeofWiMAX(3.4~3.69GHz)andWLAN(5.15~5.825GHz),whichcanreducetheinterferenceofWiMAXandWLANsystem.Inaddition,theantennaadoptscoplanarwaveguidefeedingandhasgoodcoplanarcharacteristics.TheresultsofsimulationandtestshowthattheantennahasgoodtrappingcharacteristicsintheUWBfrequencyrange,andcaneffectivelysuppresstheinterferenceofotherexistingnarrowbandsystems.TheantennahasobviousadvantagesinsizeandbandwidthforthetraditionalUWBantenna.%超寬帶(UWB)系統(tǒng)的工作頻段與現(xiàn)有的全球微波互聯(lián)網(wǎng)接入(WiMAX)、無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)系統(tǒng)等窄帶系統(tǒng)的頻段相互重疊,會導(dǎo)致系統(tǒng)相互干擾.為了有效抑制現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)對超寬帶通信系統(tǒng)的干擾，在單極子天線的基礎(chǔ)上，通過在帶有L型分支結(jié)構(gòu)的矩形輻射貼片上開槽的方法，設(shè)計了一款具有雙陷波的超寬帶天線.當電壓駐波比小于2時，天線工作頻率范圍是2.5~16GHz,其阻抗帶寬為13.5GHz.該天線最大的特點是在WiMAX(3.4~3.69GHz)以及WLAN(5.15~5.825GHz)的頻率范圍具有雙陷波特性，能夠降低WiMAX和WLAN對系統(tǒng)的干擾.同時，天線采用共面波導(dǎo)饋電,具有良好的共面特性.仿真和測試結(jié)果表明:該天線在超寬帶頻率范圍內(nèi)具有良好的陷波特性,能有效抑制現(xiàn)有其他窄帶系統(tǒng)的干擾.與傳統(tǒng)的超寬帶天線相比，該天線在尺寸和帶寬上具有很明顯的優(yōu)勢.【期刊名稱】《自動化儀表》【年(卷)，期】2018(039)006【總頁數(shù)】4頁(P35-38)【關(guān)鍵詞】超寬帶;雙陷波;共面波導(dǎo);電壓駐波比;全球微波互聯(lián)網(wǎng)接入；無線局域網(wǎng);天線【作者】周兵;鄒傳云【作者單位】西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010;西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010【正文語種】中文【中圖分類】TH86;TP3150引言目前，射頻識別(radiofrequencyidentification,RFID)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事/物流跟蹤以及新零售等眾多領(lǐng)域。無源超高頻無芯片RFID標簽憑借其更遠的傳輸距離、更大的數(shù)據(jù)容量、更快的閱讀速度等優(yōu)勢，正逐步取代傳統(tǒng)的光學(xué)二維碼［1］。無源超高頻無芯片射頻識別標簽以標簽結(jié)構(gòu)的差異，區(qū)分不同物體的信息。不同結(jié)構(gòu)標簽的反向散射信號不同。其差異性在頻域上表現(xiàn)為在特定頻率點是否有諧振波峰或波谷出現(xiàn)［2］。若無芯片射頻標簽以50MHz的頻率分辨率在頻域進行編碼［3］，頻率帶寬將直接影響標簽的編碼容量。使用這種編碼方式的高容量無芯片RFID標簽，可用于編碼帶寬較寬的編碼。因此，標簽閱讀器天線也應(yīng)該具有較寬的頻帶?，F(xiàn)有的無線窄帶通信系統(tǒng)，如全球微波互聯(lián)網(wǎng)接入(worldinteroperabilityformicrowaveaccess,WiMAX)、無線局域網(wǎng)(wirelesslocalareanetwork,WLAN)系統(tǒng)，會對無芯片RFID標簽閱讀器產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致讀取的信息出現(xiàn)錯誤。因此，RFID標簽閱讀器天線必須具備濾波(陷波)功能，從而降低現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)的干擾。近年來，涌現(xiàn)了許多有陷波特性的超寬帶(ultra-wideband,UWB)天線。其中大部分是在單極子天線的基礎(chǔ)上進行改進的。其改進方法大致可以歸為兩類：第一類是在輻射貼片或者地板上開U型槽、C型槽［4-7］；第二類是在輻射單元或地板附近引入寄生單元［8-9］。這些天線存在尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作成本高、難以集成等缺點。本文在文獻［9］的基礎(chǔ)上進行改進，把天線反面的寄生U型線條改為在輻射單元上開U型槽，從而在保持天線整體尺寸不變的條件下實現(xiàn)了陷波功能。該設(shè)計省去了天線兩面敷銅、過孔設(shè)計等復(fù)雜過程，使天線在保持良好陷波特性的同時，結(jié)構(gòu)更緊湊、制作更簡單。1天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計本文的天線采用特征阻抗為50Q的共面波導(dǎo)饋電，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，深色為金屬部分，淺色為介質(zhì)基板；W0為中心導(dǎo)帶的寬度(即饋線寬度)，s為槽寬，W為介質(zhì)板的寬度，h為介質(zhì)板的厚度，a為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。圖1共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Structureofcoplanarwaveguide共面波導(dǎo)特征阻抗的計算公式可由式(1)~式(4)［10］計算。(1)(2)⑶⑷式中：￡r、￡eff、h、W、W0、s分別為相對介電常數(shù)、有效介電常數(shù)、介質(zhì)板厚度、介質(zhì)板寬度、饋線寬度以及饋線與地的間隙；K(k)、K，(k)分別為第一類橢圓完全積分函數(shù)及其補充函數(shù)；k為自變量。應(yīng)用以上公式，可計算得出：對于特征阻抗為50Q的共面波導(dǎo)，當其饋線寬度W0=2.6mm時，饋線與地的間隙s=0.3mm。天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中深色部分為金屬，淺色部分為介質(zhì)。圖2天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Structureoftheantenna介質(zhì)基板為聚四氟乙烯材質(zhì)，相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切tanS=0.02，厚度為1.6mm，通過在輻射貼片上開兩個U型槽產(chǎn)生3.4~3.69GHz及5.15~5.825GHz陷波。根據(jù)電路理論分析，開槽(加載縫隙)相當于弓|入電感和電容的并聯(lián)電路，原有電路因為并聯(lián)諧振點而造成阻抗失配，形成大的反射系數(shù)［11］。一般槽線的長度可以由式(5)計算得出［12］。⑸式中：fnotch、c、L分別為陷波頻率、自由空間的光速、槽線的長度。通過式(5)可計算出當陷波中心頻率為3.5/5.5GHz時，對應(yīng)的槽線長度大約為32.9/20.9mm。這個結(jié)果只是一個大致的范圍，最終槽線的尺寸通過仿真優(yōu)化才能得出。最終優(yōu)化后的天線參數(shù)如表1所示。表1天線參數(shù)Tab.1Antennaparameters參數(shù)尺寸/mmWs30.0Ls26.0W12.0L8.0Hs2.6Vs1.9T2.4參數(shù)尺寸/mms2.6G0.3W111.0W28.5L17.2L24.7st1.82仿真結(jié)果及分析天線在無槽、只開外槽、只開內(nèi)槽、同時開2個槽這4種情況下，回波損耗(S11)及電壓駐波比(voltagestanding-waveratio,VSWR)對比如圖3、圖4所示。。圖3回波損耗對比圖Fig.3Comparisonofreturnloss圖4電壓駐波比對比圖Fig.4Comparisonofvoltagestanding-waveratio由圖3、圖4可知：無槽時，在3.4-3.69GHz及5.15~5.825GHz的頻段范圍內(nèi)，S11和VSWR均比較平穩(wěn)，天線沒有陷波特性，且在2.5~16GHz的頻率范圍內(nèi)，S11小于-10dB,VSWR小于2;只開外面的U型槽時，在3.2~3.8GHz頻段范圍內(nèi)，S11向上凸起大于-10dB,VSWR也大于2，天線具有陷波特性，而在5.15~5.825GHz頻率范圍內(nèi)，天線沒有陷波特性；只開里面的槽時，在4.98~6.1GHz頻率范圍內(nèi)，S11最大值接近0dB,VSWR比較大，可見天線在此頻段具有陷波特性，而在5.15~5.825GHz天線沒有陷波特性；同時開2個槽時，天線在3.2~3.8GHz及4.98~6.1GHz的頻率范圍內(nèi)，S11大于-10dB,VSWR大于2，天線具陷波特性，在其他頻率范圍內(nèi)，S11的值都要小于-10dB。由此可見，通過調(diào)整U型尺寸，很容易實現(xiàn)不同頻段的陷波特性。天線增益仿真如圖5所示。圖5天線增益仿真圖Fig.5Simulatedgainoftheantenna由圖5可以看出，天線無槽時，在3.2-3.8GHz及4.98~6.1GHz頻率范圍內(nèi)，天線的增益平穩(wěn)，沒有發(fā)生突變；天線僅開外槽時，在3.2-3.8GHz頻率范圍內(nèi)的天線增益突然減小，其他頻率范圍內(nèi)的天線增益保持平穩(wěn)；天線僅開內(nèi)槽時，4.98-6.1GHz頻率范圍內(nèi)的天線增益急劇變小，其他頻率范圍內(nèi)增益沒有突變；天線開內(nèi)槽和外槽時，在3.2-3.8GHz及4.98~6.1GHz頻率范圍內(nèi)的天線增益突然變小，明顯小于其他頻帶內(nèi)的增益，天線表現(xiàn)出了明顯的陷波特性。天線的最大增益接近7.29dB。天線輻射方向?qū)Ρ葓D如圖6所示。由圖6可以看出，在較低頻段，天線的最大輻射方向在垂直于天線平面的方向，即天線平面的正上方和正下方，且陷波對方向圖沒有產(chǎn)生太大的影響。天線輻射方向圖在高頻段范圍發(fā)生了一定的畸變。圖6天線的輻射方向?qū)Ρ葓DFig.6Comparisonofradiationdirectionofantenna3測試結(jié)果為了驗證所設(shè)計天線的正確性，對天線進行實物加工與制作。實際的天線結(jié)構(gòu)緊湊，整體尺寸僅為30mmx26mmx1.6mm,天線只有正面有敷銅，地板與輻射貼片在同一個平面。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試了天線的反射系數(shù)，其結(jié)果如圖7所示。圖7測量及仿真結(jié)果Fig.7Measureandsimulateresults由圖7可以看出，在4GHz及5.8GHz附近，曲線向上凸起，S11的值比較大，天線有明顯的陷波特征，測量值與仿真值一致性比較好。隨著頻率的升高，測量與仿真出現(xiàn)了較大的偏差，波形上失真，頻率也有偏移。出現(xiàn)失真的原因在于：FR-4材質(zhì)的高頻性能差，發(fā)生色散；sma接頭與天線的饋線處焊接不牢固；試驗室的電磁環(huán)境復(fù)雜，對天線的影響比較大等。4結(jié)束語通過在天線的輻射貼片上開U型槽，產(chǎn)生阻抗失配，形成陷波特性。仿真和測試結(jié)果表明，天線過濾WiMAX及WLAN頻段的信號，使系統(tǒng)免受這兩個頻段信號的干擾。且天線的帶寬為13.5GHz，非常適合作為無芯片射頻識別標簽閱讀器天線。天線采用共面波導(dǎo)饋電，整體尺寸為30mx26mmx1.6mm,結(jié)構(gòu)緊湊，制作簡單，具有一定的實用價值。參考文獻：FINKENZELLERK.RFIDhandbook:fundamentalsandapplicationsincontactlesssmartcardsandidentification[M].Hoboken:JohnWiely&SonsLtd.,2003.胡偉,鄒傳云，徐利?開槽圓環(huán)型無芯片射頻識別標簽結(jié)構(gòu)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)甩2013,39(9):116-119.VENAA,PERRETE,TEDJINIS.Designofcompactandauto-compensatedsingle-layerchiplessRFIDtag[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheory&Techniques,2012,60(9):2913-2924.王善進，雷瑞庭,劉華珠，等.一款結(jié)構(gòu)簡單的雙陷波超寬帶天線[J].電子器件,2016,39(5):1048-1051.湯恒亮，李繼嵐，張昕.一種具有雙陷波特性的超寬帶天線設(shè)計[J].電子世界,2016(11):177-178.竇碩鵬，潘仲明.一種新型UWB雷達天線設(shè)計[J].微波學(xué)報,2016(增刊1):194-196.楊友良，蘇立虎,孟凡偉，等.礦用UHFRFID閱讀器分形天線的設(shè)計[J].自動化儀表,20