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超宽带滤波天线研究与设计

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网络信息工程2019.08

920 引言

超宽带无线技术（Ultra Wideband，UWB）由于其系统

容量大、传输速率高、抗干扰性能强以及发送功率小等优点

被人们广泛关注，成为一种新兴无线通信技术。在研究基础

上，美国联邦通信委员会将超宽带系统的使用频段规定在

3.1~10.6GHz范围内。但就目前超宽带通信范围进行分析能

够发现，窄带通信系统仍然存在。优化超宽带无线技术的首

先任务研究分析天线和滤波器这两个射频前端线路的重要

无源元器件，对传统滤波器以及天线设计进行优化。在传统

天线和滤波器设计中中仅仅考虑元器件本身性能，并没有根

据实际要求从整体范围考虑分析，存在局限性。当前发展中

期望优化超宽带滤波体现，通过天线和滤波器集成，实现滤

波和辐射通信功能的几何，三维封装尺寸将减小，对超宽带

无线通信系统小型化发展具有重要意义。

1 超宽带技术发展及优势

1.1 超宽带技术发展

上世纪六十年代，超宽带无线技术（Ultra Wideband，

UWB）首次被提出，最早在军事雷达中引入用于军事通信，主

要是采用其强穿透性的特性。同时超宽带无线技术还具有信

号带宽极宽的特性，决定了其能应用于其他通信设备的监

听。军事领域中UWB技术的应用也进一步推动了该技术发展，

在上世纪九十年代该技术开始正式应用于民用，但在普及初

期UWB设备价格高昂，主要应用于大型企业。

随着半导体技术、电路集成技术的发展完善，推动了低

功耗UWB设备的设计和出现，新技术的革新也降低了设备生

产成本。掀起了一波超宽带天线研究热潮，各国研究者分分

着手该方面研究。在研究初期超宽带微带天线还采用传统窄带微带天线的构架方式，为进一步提高超宽带天线的传输性

能，进行了系列研究与设计优化。

在长期研究中，新型的单阻带天线和双阻带天线被提出

并应用，三阻带天线虽然被提出但研究较少，对多阻带天线

的研究更是屈指可数。本文对传统结构相对简单的圆形单极

子天线进行优化设计，使其具有超宽带特性，在传统天线中

引入贴片开槽技术以及耦合馈电技术，希望实现超宽带天线

的三阻带超宽带滤波。三阻带超宽带滤波设计提高了通信系

统抗干扰能力，有效避免WLAN、WIMAX以及卫星通信频段的

干扰，同时提高了通信系统传输性能，在成本方面也具有显

著优势。

1.2 超宽带技术优势

（1）超宽带无线技术（Ultra Wideband，UWB）目前在短

距离高速数据传输中应用比较广泛，和802.11a无线局域网

标准具有显著的传输速度优势，能够达到500Mb/s。在技术革

新背景下，传输速度还有待于进一步提高。目前802.11a无线

局域网标准还应用较多，但已不能很好满足人们宽带传输速

率的需求，UWB技术可能成为一种很好的发展方向。

（2）UWB技术成本低，具有显著的价格优势。UWB技术

采用低发射功率进行信号传输，比电视辐射功率更低、功耗

更小，因此并不需要为UWB通信系统配备昂贵的功率放大器。

在超宽带技术中还采用数字化编码方式，同时编码方式也不

断优化，导致电路尺寸不断缩小，电路成本、设备总体成本均

降低。

（3）目前在超宽带技术中还主要使用室内定位系统。由

于超宽带接收机高分辨率定位特性，能够快递定位UWB发射

机位置，且误差很小（厘米级），这也提高了UWB发展应用的可

能性。超宽带滤波天线研究与设计

林周福

（广州海格通信集团股份有限公司，广东广州，510663）

摘要：本文主要针对超宽带滤波天线进行研究分析，首先解析超宽带技术的发展及其优势，然后主要分析目前超宽带天

线滤波的实现方法，基于当前超宽带天线滤波实现方法的基础上进行超宽带滤波天线设计，进行仿真分析设计结果。

关键词：超宽带；滤波天线；设计；仿真

Research and Design of Ultra Wideband Filtering Antenna

Lin Zhoufu

（Guangzhou Haige Communications Group Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong,510663）

Abstract:This paper mainly focuses on the research and analysis of UWB filter antenna. Firstly, the development and advantages of UWB technology are analyzed. Secondly, the current UWB antenna filter implementation methods are mainly analyzed. Based on the current UWB antenna filter implementation methods, the UWB filter antenna design is carried out and the simulation results are analyzed.Key words: UWB;filter antenna;design;simulation网络信息工程2019.08

932 超宽带天线滤波实现方法

2.1 贴片上开槽技术

对天线振子进行开槽处理，能

够切断天线振子及天线表面上的电

流分布，使天线具备滤波特性。如图

1所示，采用贴片上开槽为天线提供

滤波特性，采用滤波中心、频率四分

之一波长的长度在天线辐射贴片上

开槽，通过引入二分之一波长来改变

谐振结构。贴片开槽技术对计算方面

的技术要求较低，而且成本低廉易实

现，目前应用比较广泛。

2.2 超宽带单极子天线

微带印刷天线通过集成电路的方式实现，如图2所示，具

有重量轻、成本低、剖面薄、体积小的特征，目前有大量关于

这一方面的研究，在研究基础上投入实际生产应用中。单极

子天线模型主要由下层金属地板和上层金属辐射贴片两部

分构成。在下层金属地板和生成辐射贴片之间存在真电势差，

因此当天线通过同轴线馈电之后，引发电场并因电磁感应产生

电磁波，进行信息传输。虽然微带天线具有成本低、体积小、重

量轻这些优势，但是频带较窄、损耗较大是明显缺陷。

图2 单极子天线模型示意图

2.3 微带馈线引入谐振器

图3 微带馈线引入谐振器滤波模型示意图

微带馈线引入谐振器也是重要的超宽带天线滤波实现

方法，示意图如图3所示。该种滤波天线实现的主要目的是屏蔽生活中WLAN频段（5.5GHz）的信号，因此消除干扰。

2.4 加载互补开口谐振环CSRR

英国科学家最早在超材料研究中发现并提出了开口谐

振环结构（SRR），开口谐振环结构具有超材料的特性，通过两

个开口相反的同心圆实现负磁导率的产生和处理。因为开口

谐振环结构只需要在PCB板刻蚀即可实现，因此制作成本较

低，应用也越来越光。将开口谐振环结构的介质部分和金属

部门互换，完成开口谐振环结构的互补结构，被称为CSRR。在

CSRR发生谐振的时候，能够产生阻带效应，因此在滤波器设

计中具有很好应用前景。

3 超宽带滤波天线设计与仿真实证分析

3.1 天线结构设计

在本文中进行超宽带滤

波天线设计中，采用FR4介质

板进行，该种介质板的物理参

数和电参数如下：介质板厚

度h为0.8mm，微带介电常数

εr为4.4，而损耗正切tanδ

为0.02。在超宽带滤波天线

顶层中，采用Y型微带线耦合

的方式，馈电到辐射贴片单元

当中，在下层金属地板中进行

矩形槽刻蚀，同时为实现开口

谐振环（CSRR）互补，在环形铁

片上刻蚀圆形。本设计中天线的尺寸大约为28mm×36mm，馈

电端口引入电流后，电流能够传递到微带线L，并在下层金属

地板的刻蚀矩形槽中进行耦合。以固定频率滤波的方式电流

耦合到微带线L4中，最终传递到环形天线辐射贴片中。结合

辐射器CSRR结构的刻蚀（负磁导率）以及两个频段滤波的实

现（CSRR谐振），最终系统实现超宽带三阻带滤波性能，天线

的结构示意图如图4所示。

3.2 超宽带滤波天线仿真

3.2.1 回波损耗仿真

图5 回波损耗仿真图

对三阻带滤波设计进行仿真计算，如图5所示。通过仿

真结构能够发现超宽带三阻带滤波的频率范围在3-8GHz，且

在频率范围内超宽带滤波天线的回波损耗较低，均小于10d。

通过图还能够看出该滤波器的阻带作用，频率点为三个波图1 贴片上开槽技

术示意图

图4 超宽带滤波天线结构图

（下转第103页）网络信息工程2019.08

103理器差距较大，在进行视频动态识别时处理速度较慢。图5为

成功识别出行车记录仪中的限速交通标志的路况。

4（a）限速40时输出结果 4（b）限速80时输出结果

图4 动态测试输出结果

5 小结

本次总结了静态测试和动态测试的效果及其识别正确

率，在静态下进行了多张车拍图像和标志限速交通标志图像

测试，在测试的92张图像中，有11张无法识别出限速交通标

志，剩下13张在数字识别中出现错误，识别正确率在73.9%。

在动态测试中，分别进行了摄像头实时测试和行车记录仪视

频测试。由于试验设备和原设备硬件相差过大，且试验设备

成像效果不佳，在整个动态测试中识别成功率不高。5（a）匝道车载视频

5（b）国道车载视频

图5 车载视频试验

参考文献

[1]郑义,将刚毅.形状的几何特征数值描述与交通标志的识别[J]信息与控制,26卷第一期.1997.2.[2]王坤明,杨斐,许忠仁.基于神经网络的交通标志识别方法[J].辽宁石油化工大学学报，2003.23(1):77-79.[3]朱双东,刘兰兰.基于颜色信息与SVM网络的交通标志检测[J].自动化仪表,2009,30（3）：69-72.

谷：7.5GHz(卫星通信频段)、5.5GHz(WIMAX频段)以及3.

5GHz(WLAN频段)，阻带带宽较宽且阻带作用显著。

3.2.2 驻波比仿真测试

图6 驻波比仿真测试图

对三阻带滤波设计的驻波比进行仿真计算，测试结果如

图6所示，宽带范围内的驻波比要小于2，证明三阻带滤波设

计的阻抗特性匹配良好。就实测结果和天线仿真结果进行对

比能够发现，两者结果基本吻合存在极小偏差，出现偏差主

要的原因是介质基板质量、天线加工制作的过程中的误差以及SMA接头焊接误差等。

通过驻波比仿真以及回波损耗仿真能够发现，三阻带滤

波设计很好满足了实际需求。

4 结论

对于超宽带滤波的发展而言，进行滤波器设计及优化具

有重要意义，本文结合耦合馈电以及CSRR技术最终实现了三

阻带滤波设计，并通过仿真证明了性能，设计的天线辐射UWB

性能指标，同时尺寸小、频带宽，在未来UWB发展中具有重要

的推广价值。

参考文献

[1]张诚,毛臻,杨兵,丁涛杰.低交叉极化水平的宽带滤波贴片天线[J].电子与封装,2019,19(04):45-48.[2]代天瑶.超宽带滤波天线研究与设计[J].电子科技,2018, 31(12):34-37.[3]尹航,汪敏,吴文.一种基于平面八木天线的小型化宽带滤波天线[J].电子技术应用,2017,43(11):103-106+111.（上接第93页）

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天线原理魏文元答案

天线原理魏文元答案

天线原理魏文元答案

LT

超宽带天线研究的第一个趋势是:设计具有阻带特性的超宽带天线。由于超

宽带系统与其他系统共享频率资源，尤其是在5.1ghz-5.8ghz上对无线局域网络(wlan)的干扰[10]。为了避免可能造成的干扰，最有效的办法就是设计具有阻带滤波特性的超宽带天线，使其在5.1ghz-5.8ghz频段上形成阻带从而降低干扰电平 ，因此具有阻带特性的uw天线成为近年来的研究热点。

超宽带天线研究的第二个趋势是:关注超宽带天线对超宽带脉冲波形的影响将超宽带天线的时域响应和频域响应结合起来研究。因为超宽带天线与窄带天线不同，在超宽带系统中，超宽带天线是一个重要的带通脉冲整形滤波器[11]，仅仅关注天线的常规参数，例如增益、阻抗特性等是远远不够的，还需要从系统的角度来衡量天线的特性。

超宽带天线研究的第三个趋势是:小型化和平面化。因为小型化和平面化直接决定了天线的尺寸大小和加工的成本及难度，间接地影响天线的应用区域和场合，因此，为了拓展超宽带天线的应用，方便集成化[12]，对天线的尺寸和结构要求也是相当重要的。

因此，超宽带陷波微带天线设计是现在的必然趋势，而其设计方法主要分为两类，一类是在天线和射频前端之间添加带阻滤波器，或者使用具有陷波特性的传输线结构[13]；另一类则是在天线的辐射部分添加谐振结构，使天线在某个特定频带内实现“短路”或者“开路”。由于第二类方法增加额外的设计成本少，因此，目前对此类方法的研究最为深入。

目前具有陷波这种特性的天线主要有两类：一类是在常规的平板单极子天线上开u形槽、引入半波长谐振结构以获得陷波特性，出于平衡馈电的考虑，这类天线通常需要一个面积较大的金属接地板，而实际的小型化通信设备不太可能有这样的安装条件，加之这类天线多不采用印刷板工艺制作、不便与前端电路集成化设计，因此应用受到限制[14]另一类是宽缝隙天线演变而来的陷波特性缝隙天线，采用分形结构调谐支节获得陷波特性，但是天线体积稍大、且结构相对复杂、

陷波平面超宽带天线的研究进展

陷波平面超宽带天线的研究进展

电子信息对抗技术・第２７卷　２０１２年３月第２期　孙荣辉，高卫东，刘汉　陷波平面超宽带天线的研究进展　３３　

中图分类号：ＴＮ８２２．８　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４—２２３０（２０１２）０２—００３３—０５　

陷波平面超宽带天线的研究进展　

孙荣辉，高卫东，刘　汉　

（电子工程学院，合肥２３００３７）　

摘要：随着对超宽带平面天线的研究和广泛应用，在超宽带天线中实现对其他无线通信设备特　男・ｊ是ＷＩＡＮ设备的干扰抑制成为近年来的研究热点。介绍了陷波特性超宽带天线的技术背　

景，对近几年国内外关于陷波超宽带天线的最新研究成果进行了分析总结，研究成果对超宽带　

天线的设计和频带的抑制具有一定的指导作用。最后对无线通信中超宽带天线的发展趋势进　行了展望。　关键词：无线通信；超宽带天线；陷波；寄生单元　

Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｂａｎｄ．．Ｎｏｔｃｈｅｄ　Ｐｌａｎａｒ　Ｕｌｔｒａ．Ｗｉｄｅｂａｎｄ　Ａｎｔｅｎｎａ　

ＳＵＮ　Ｒｏｎｇ－ｈｕｉ，ＧＡＯ　Ｗｅｉ—ｄｏｎｇ，ＬＩＵ　Ｈａｎ　

（Ｅ］［ｅｅｌｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｆｅｉ　２３００３７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｒＬｄ　ｗｉｄｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ－ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｐｌａｎａｒ　ａｎｔｅｎｎａ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，　

ｉｔ　ｉｓ　ａｎ　ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ　ｔｏｐｉｃ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｒｅｊｅｃｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ｎｅａｒｂｙ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　

ｓｙｓｔｅｍｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｕｈｒａ－ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｐｌａｎａｒ　ａｎｔｅｎｎａ．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｂａｃｋ—　ｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｂａｎｄ—ｎｏｔｃｈｅｄ　ＵＷＢ　ａｎｔｅｎｎａｓ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｆｉｒｓｔ，ｒｅｃｅｎｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＵＷＢ　ａｎｔｅｎｎａｓ　ｉｓ　

超宽带三维频率选择表面

超宽带三维频率选择表面

第52卷第11期2023年11月人　工　晶　体　学　报JOURNALOFSYNTHETICCRYSTALSVol.52　No.11November,2023

超宽带三维频率选择表面

陈昭冉,姚夏元

(华北电力大学电气与电子工程学院,北京　102206)

摘要:相较于传统的二维频率选择表面,三维频率选择表面能产生更多谐振点而提供更大带宽,更容易达到小型化的要求,能够提供更稳定的频率响应,因而成为研究热点。本文提出了一种多级正交菱形结构的新型三维频率选择表面,其基本单元结构是正交的菱形金属丝,在其外部注入介电常数为2.2的聚合物作为支撑。入射角在0°~50°的条件下具备9.2GHz共同带宽,相对带宽超过50%,TE和TM极化的最大插入损耗皆不超过1dB。该结构具备三个谐振点,形成原因分别为正交菱形金属结构的谐振、结构和介质端面相互耦合产生的谐振,以及介质端面的一阶法布里-珀罗谐振。通过调节介质的介电常数,可利用更高阶的法布里-珀罗谐振进一步设计出通宽更宽的空间滤波器。考虑到工程应用,文中也评估了此设计对天线远场方向图的影响。关键词:三维频率选择表面;超宽带;角度稳定;低损耗;法布里-珀罗谐振;空间滤波器中图分类号:TN802;TN713 文献标志码:A 文章编号:1000-985X(2023)11-1971-09

Ultra-WidebandThree-DimensionalFrequencySelectiveSurface

CHENZhaoran,YAOXiayuan(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

Abstract:Comparedtotraditionaltwo-dimensionalfrequencyselectivesurfaces,three-dimensionalfrequencyselectivesurfacehasbecomeahotresearchdirectionduetoitsabilitytogeneratemoreresonancepoints,providelargerbandwidth,efficientlymeetminiaturizationrequirement,andbringmorestablefrequencyresponse.Anovelthree-dimensionalfrequencyselectivesurfacewithamulti-levelorthogonaldiamondstructureisproposedinthispaper.Itsbasicunitstructureisanorthogonaldiamond-shapedmetalwire,andapolymerwithdielectricconstantof2.2isinjectedexternallyassupportstructure.Thecommonbandwidthofthisfrequencyselectivesurfaceexceeds9.2GHzwitharelativebandwidthexceeding50%,andtheaverageinsertionlossofTEandTMpolarizationdoesnotexceed1dBwhentheincidentangleintherangeof0°to50°.Thisthree-dimensionalfrequencyselectivesurfacehasthreeresonancepoints.Theirformationreasonsaretheresonanceoftheorthogonaldiamondmetalstructure,theresonancegeneratedbythecouplingbetweenthestructureandthedielectricendface,andthefirst-orderFabryPerotresonanceofthedielectricendface.Ifthedielectricconstantofthefillingmediumisadjusted,higherorderofFabryPerotresonancecanbeutilized,andaspatialfilterwithbroaderbandwidthrequirementcanbedesigned.Atthesametime,theimpactofthisthree-dimensionalfrequencyselectivesurfaceonthefar-fieldpatternoftheantennaisalsoevaluated.Keywords:three-dimensionalfrequencyselectivesurface;ultra-wideband;angularstability;lowloss;FabryPerotresonance;spatialfilter

超宽带微带带通滤波器的设计

超宽带微带带通滤波器的设计

超宽带微带带通滤波器的设计

袁伟强;宋树祥;程洋;张勇敢

【摘 要】为了设计小型化、低插入损耗、宽阻带的滤波器,本文基于缺陷微带结构(defected microstrip structure,DMS)提出一种新型H形DMS结构微带滤波器,利用DMS结构与1/4波长终端短路谐振器设计制作一种小型超宽带微带带通滤波器,并用ADS(advanced design system)软件对该滤波器进行分析及仿真验证,且对所设计的滤波器进行实物加工测试.测试结果表明,该滤波器的相对带宽达到了116%,阻带在-20 dB以下的频段为12~19 GHz,其宽度达到了7 GHz,与理论分析基本一致.该滤波器尺寸为13.7 mm×6.8 mm,同时还具有插入损耗小、结构简单紧凑等优点.%Based on the defected microstrip structure (DMS),a new H-shaped DMS microstrip filter is proposed.A small ultra-wideband

microstrip bandpass filter is designed and fabricated using the DMS

structure and the 1/4 wavelength shorted resonator.The filter is analyzed

and simulated by ADS software.The designed filter is tested by physical

processing.The test results show that the relative bandwidth of the filter

reaches 116%,and the band with -20 dB is 12-19 GHz and its width is 7