一种新型椭圆陷波特性的超宽带天线的设计

具有陷波特性的超宽带印刷天线设计摘要:设计一种具有陷波特性的超宽带印刷天线,天线采用圆形金属贴片作为辐射单元,采用微带线进行馈电,通过在贴片上开四个对称T形槽来实现陷波功能。

利用仿真软件HFSS 10.0对其进行计算,对天线的阻抗特性、方向图和增益进行了研究。

运算结果表明,该天线在2.26~4.94 GHz和6~11.68 GHz的工作频带范围内电压驻波比(VSWR)小于2;在4.94~6 GHz的阻带范围内具有良好的陷波特性;在阻带中心频率(5.48 GHz)处,电压驻波比高达40。

关键词:超宽带天线; 陷波特性; 印刷天线; 辐射单元中图分类号:TN821文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)08-0127-03Design of Ultra-wideband Printed Antenna with Band-Notched CharacteristicZHOU Feng, QIAN Zu-ping, PENG Chuan(Institute of Communication Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)Abstract:A ultra-wideband (UWB) printed antenna with notching characteristic is proposed. A circle metal patch fed by a microstrip is taken as a radiation element . The band-notched function is realized by cutting four symmetrical T-shaped slots in the patch. It was studied experimentally for its impedance bandwidth, radiation patterns and gain by using HFSS software. Simulation results showthat within the operation band-width of 2.26 GHz~4.9 GHz and 6.2GHz~11.68 GHz, the voltage stand wave ratio(VSWR) is lower than 2; within the stop band of 4.9 GHz~6.2 GHz it has a good notching characteristic; and at the center frequency(5.48 GHz) of the stop band, the VSWR is up to 40.Keywords:ultra-wideband antenna; band-notched characteqistic; printed antenna;radiation element0 引言超宽带(UWB)天线在无线通信、无线接入、电子对抗等系统中都有着广泛的应用。

一种新型椭圆陷波特性的超宽带天线的设计超宽带无线通信技术以其信道衰落不敏感，低能耗，抗干扰性强，系统设计复杂度较低等优点而备受重视。

本文以椭圆片结构为基础设计了一种新型平面超宽带天线，并主要对该天线的陷波特性进行了研究。

该天线由微带馈线，天线的制作是通过在介质基板上下面分别印刷一个椭圆形和矩形相结合，中间以蝶形天线过渡的金属片，下层矩形接地板来实现。

仿真和实物实测结果都可以证实，该天线的工作频带为2.0～12GHz，具有超宽带特性和很好的全向辐射特性。

同时，也对天线进行了双陷波特性设计，其性能更加优化，可用于无载波超宽带无线数据通信系统。

标签：UWB天线；椭圆片单极子；陷频特性；加载枝节；开槽随着UWB技术的不断发展与进步，超宽带无线通信系统已经展现了巨大的潜力。

人们对其宽频带、高速率传输等优点尤为关注。

联邦通信委员会（FCC）分配了3.1～10.6GHz的频谱给超宽带无线通信应用[1]，考虑到超宽带频谱内的无线通信频段分布甚为密集，比如：在超宽带带频段内的全球无线微波接入系统（WiMAX），其頻带范围是 3.3～3.7GHz，还有无线局域网（WLAN），其范围是5.15-5.825GHz，需要避免频段间干扰。

本文通过设计具有双带阻特性的UWB 天线通信系统来避免这种干扰。

一个优良的超宽带应用天线[2]，除具有很宽的频带外还要有全向辐射图和良好的色散特性。

平面单极天线很适合超宽带无线应用。

大部分天线研究是改变传统的单极子天线得奖结构来改善天线的带宽。

比如；渐变槽线天线，改进型平面螺旋天线，锥形蝶形领结天线，和C/E/U/F形天线[3]。

本文提出了一种新型的UWB单极子天线，该天线辐射单元是将经典的椭圆片和矩形片模型结合，蝶形结构中间过渡改进形成。

该天线具有超宽带带宽，辐射方向图稳定性较佳。

实现陷波特性的谐振结构分别是U型槽线和一对接地枝节，通过设计这两个谐振结构，使天线能够实现对全球无线微波接入系统（WiMAX）3.3～3.7GHz频段和无线局域网（WLAN）的5.15-5.825GHz频段的带阻功能。

新型圆形共面波导双陷波超宽带天线设计翟岱亮;张晨新;李红梅;杨自牧【摘要】为了满足现代通信的要求,论文设计了一种新型圆形共面波导双陷波超宽带天线.天线采用共面波导馈电,实现了良好的超宽频带阻抗匹配.通过在圆形辐射贴片上加载两个C型缝隙,分别在WLAN频段和WiMAX频段处产生陷波,满足了电磁兼容的要求.通过对天线的理论计算结果、仿真结果和实测结果进行比较,吻合较好,通带内天线的回波损耗在-10dB以下,方向图基本一致,辐射效果良好；阻带内天线增益下降分别为3.2dB和7.5dB,实现了较好的陷波抑制辐射作用.%A novel CPW - fed circular disc ultra - wideband antenna with dual band - notched characteristics, which can meet the demand of communication of the day is designed in this paper. With the antenna fed by CPW, good ultra - wideband impedance match can be achieved. Meanwhile, to obtain the notched bands at the frequency range of WLAN and WiMAX, two C - shaped slots are embedded into the radiating patch, then, electromagnetic compatibility is achieved. Through comparison, the theoretical` simulated and measured results are coincident, which shows that the antenna has a good radiating characteristic with the return loss under -10 dB and the radiation patterns matching within the transmission band. The gains of the antenna within the notched bands have been reduced separately by 3.2 dB and 7. 5 dB, thus effectively reducing the radiation.【期刊名称】《空军工程大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(013)003【总页数】4页(P50-53)【关键词】超宽带天线;双陷波;C型缝隙【作者】翟岱亮;张晨新;李红梅;杨自牧【作者单位】空军工程大学防空反导学院,陕西三原,713800;空军工程大学防空反导学院,陕西三原,713800;94826部队,上海,200433;空军工程大学防空反导学院,陕西三原,713800【正文语种】中文【中图分类】TN82近年来，超宽带(Ultra－wideband，UWB)在雷达系统、通信领域、军事应用等方面日益展现优越性能，受到越来越多的关注。

具有陷波特性的小型超宽带天线的设计
王秀红;王东;庞伟正
【期刊名称】《应用科技》
【年(卷),期】2009(036)002
【摘要】设计了一种具有陷波特性的共面波导馈电超宽带天线.天线大小为
(25mm×26mm×0.64mm),利用仿真软件CST对其进行了仿真,对天线的阻抗特性、方向图和增益进行了研究.结果显示,该天线在3.1GHz到大于20GHz的频带范围
内VSWR<2,其中在5.1～6.2GHz 间具有陷波特性.该天线在整个工作频段内有良
好的辐射方向特性.
【总页数】4页(P25-27,30)
【作者】王秀红;王东;庞伟正
【作者单位】哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨
工程大学信息与通信工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学信息与通信
工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TN822+.8
【相关文献】
1.一种具有双陷波特性的超宽带天线设计 [J], 汤恒亮;李继岚;张昕
2.一种具有陷波特性的小型超宽带天线设计 [J], 刘路路;宗卫华
3.具有双陷波特性的小型Vivaldi超宽带天线 [J], 李振亚;竺小松;张建华
4.具有可重构特性的陷波超宽带天线设计与研究 [J], 南敬昌; 王加冕; 赵久阳; 胡汗青; 杨洁
5.具有双陷波特性的类Sierpinski分形超宽带天线的设计 [J], 南敬昌;刘婧;高明明;李蕾
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一种陷波超宽带MIMO天线设计邓永云;代喜望;罗国清【摘要】提出了一款紧凑型陷波超宽带多输入多输出(ultra wideband multiple-input multiple-output,UWB-MIMO)天线,天线印制在FR4基板上,由两个相同的天线单元正交放置组成,尺寸是46 mm×46 mm×0.8 mm.天线单元由阶梯矩形组成,采用微带线馈电,在天线单元上蚀刻矩形开口谐振环,实现了陷波的功能,解决了无线局域网WLAN(5.15～5.85 GHz)的电磁干扰问题.通过在介质基板接地层的对称轴增加隔离枝节,使端口隔离度由-12 dB提高至-16 dB.实测结果表明:该天线的工作带宽为2.95～11.2 GHz,峰值增益是6.43 dBi,最大辐射效率可以达到97.96％,包络相关系数(envelope correlation coefficient,ECC)低于0.02.结果表明所提出的带有滤波功能的天线是一种有实际应用价值的紧凑型陷波UWB-MIMO天线.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2018(033)004【总页数】5页(P436-440)【关键词】超宽带;MIMO;陷波;天线;紧凑型【作者】邓永云;代喜望;罗国清【作者单位】杭州电子科技大学,杭州310018;杭州电子科技大学,杭州310018;杭州电子科技大学,杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TN822+.8引言近年来,随着无线通信技术的快速发展,人们对信道容量及可靠性的需求也日益增长. 随着物联网的发展和智能家居在生活中的普及,超宽带系统因为具有频谱资源丰富、传输速率快和保密性强、功耗低等优点,成为当今研究的热点之一[1]. 然而超宽带系统的辐射功率相对较低,使其很难实现远距离传输. 将UWB技术与MIMO 技术结合,利用MIMO技术的抗多径衰落能力,实现多条路径同时传输,就可以在不增加天线辐射功率的前提下,显著提升 UWB 系统的传输距离,而且UWB-MIMO 系统的低辐射功率也符合“绿色通信”的理念[2]. 在实际应用中,由于UWB频带范围内包含了很多窄带通信,如 WiMAX(3.3 ～3.8 GHz)、WLAN(5.15 ～5.85 GHz)等,为了实现窄带系统与UWB系统之间的电磁兼容,UWB系统中往往需要添加窄带滤波器,而陷波功能可以在一定程度上替代滤波器的作用. 因此,带有滤波特性的 UWB-MIMO天线应运而生[3-4]. 其中陷波特性功能的实现方法主要为在辐射单元或地面上刻蚀形式不同的谐振槽[5-6],或者在辐射单元或馈线附近添加寄生抑制单元或谐振器[7-8]. 而超宽带特性的实现技术包括采用阶梯结构或者分形结构的辐射单元[9-10],或者在接地面设置缝隙结构[11]. MIMO天线的性能优劣取决于接收到的信号是否具有低相关性. 因此,设计的MIMO天线必须具有高隔离度. 常用的提高MIMO天线端口隔离度的方法是使用电磁带隙结构[12],但是,电磁带隙结构占用面积大,并且增加了天线的复杂度. 而有缺陷的接地结构有时也被用作去耦结构来增加天线单元之间的隔离度[13]. 为了保证MIMO系统的工作性能,MIMO系统应在整个工作频带内其天线单元间的隔离度小于-15 dB.1 天线的设计图1和图2分别是天线的结构示意图和实物加工图,天线单元是微带单极子天线结构,制作在FR4介质基板上,介质的相对介电常数为4.4,介质损耗正切角是0.02,体积为46 mm×46 mm×0.8 mm. 两个天线单元正交放置,以此来获得两正交分布的方向图. 并且通过在两天线单元对称轴上加载一段矩形枝节,使端口间的隔离度获得明显提升.为了产生WLAN的陷波,在阶梯矩形辐射贴片上添加一个矩形开口槽. 而槽的长度可由下式估算:(1)式中:L表示开口槽的长度;c表示光速;f0为阻带所对应的中心频率;εr和εeff分别是介质板的相对介电常数和有效介电常数. 通过式(1)计算在中心频率为5.5 GHz 时,矩形开口槽的长度大约为17 mm,通过电磁仿真软件HFSS V15.0进行优化,得到当矩形开口环的长度为L=17.4 mm时,阻带特性最好,可以完整地覆盖WLAN频段.(a) 正面 (b) 背面(a) Front (b) Back图1 超宽带MIMO天线结构图Fig.1 Schematic of the proposed ultra wideband MIMO antenna(a) 正面 (b) 背面(a) Front (b) Back图2 超宽带MIMO天线实物图Fig.2 Prototype of the ultra wideband MIMO antenna2 参数分析2.1 阻抗特性分析该天线的S参数如图3和4所示. 仿真结果显示在3.1 ～10.86 GHz频带内,除了4.90～5.93 GHz 的陷波频段,S11均小于-10 dB,这表明天线满足阻抗要求,实测结果和仿真结果基本一样,陷波带宽为5.15～6.0 GHz,工作带宽为2.95～11.2 GHz. 此外,为了提高两天线单元端口之间的隔离度,在两天线单元接地面的对称轴上添加了一段矩形枝节,添加的矩形枝节改变了电流路径,减小了两天线单元端口间的耦合电流,图3中的仿真结果显示,隔离枝节将天线单元端口间的隔离度由-12 dB提高至-16 dB,图4中的实测结果显示,天线在工作频段内的隔离度都在-20 dB以下.图3 有无矩形枝节时仿真的S参数Fig.3 The simulated S parameters with or without rectangle stub图4 有矩形枝节时测试的S参数Fig.4 The measured S parameters with rectangle stub2.2 辐射特性分析图5是天线在3.5、7、9 GHz频率下的实测归一化远场方向图. 由于天线是正交对称放置,端口1和端口2的方向图大致沿对称轴相互对称. 因此,我们可以只研究端口1. 由图5可以看出:在低频段,端口1在H面基本呈现出全向性,在E面大致呈现出类单极子的“8”字形;随着频率的增加,天线的波长减小不再远大于天线的尺寸,天线不再具有电小天线的特性,因此,天线的辐射方向图发生变化,不再呈现出类单极子天线的辐射方向图.图6是天线的最大增益和辐射效率随频率变化的结果,在工作频带内,天线的最大增益大致为2～6 dBi,在陷波频段中,天线的增益骤降至-5.5 dBi左右,有效地解决了超宽带与WLAN之间的电磁兼容问题. 从图中可以看到该天线通带频带内具有较高的辐射效率,辐射效率都大于90%,在WLAN频带内,天线的辐射效率骤降至30%左右.(a) xoz面(a) xoz plane(b) xoy面(b) xoy plane(c) yoz面(c) yoz plane图5 辐射方向图Fig.5 The radiation pattern图6 天线的峰值增益和辐射效率Fig.6 Peak gain and radiation efficiency of the antenna2.3 分集特性分析包络相关系数(envelope correlation coefficient, ECC)反应的是天线信号衰落能力. 由于路径的不同,天线接收到的信号衰落多少具有不确定性,通常情况下,要求天线的ECC小于0.2,该天线的仿真和实测ECC如图7所示,在工作频带内ECC总是小于0.1,满足设计要求.图7 天线单元之间的包络相关系数Fig.7 Envelope correlation coefficient between antenna elements3 结论本文设计了一款紧凑型单陷波UWB-MIMO天线,天线的通带和陷波频段分别覆盖了超宽带频段和WLAN频段,对称轴上添加的矩形枝节使天线单元间的隔离度提升到-20 dB以下,天线的峰值增益为6.43 dBi,ECC在工作频率范围内都小于0.1. 这表明所提出的带有滤波功能的UWB-MIMO天线是一种有实际应用价值的紧凑型陷波UWB-MIMO天线.参考文献【相关文献】[1] 张竞一. 紧凑型超宽带MIMO天线的设计与研究[D]. 成都:电子科技大学, 2016.ZHANG J Y. The design and research of compact UWB-MIMO antenna[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2016.(in Chinese)[2] 赵辉. UWB-MIMO天线研究[D]. 西安:西安电子科技大学, 2015.ZHAO H. Study on UWB-MIMO antennas[D]. Xi’an: Xidian University, 2015.(in Chinese) [3] ABDOLLAHAVAND M, DADASHZADEH G, MOSTAFA D. Compact dual band-notched printed monopole antenna for UWB application[J]. IEEE antenna and wireless propagation letters, 2010, 9(1): 1148-1151.[4] ZHOU Z L, LI L, HONG J S. Compact UWB printed monopole antenna with dual narrow band notches for WiMAX/WLAN bands[J]. Electronics letters, 2011, 47(20): 1111-1112. [5] CHU Q X, YANG Y Y. A compact ultra wideband antenna with 3.4/5.5GHz dual band-notched characteristics[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2008, 56(12): 3637-3644.[6] ZHANG Y, HONG W, YU C, et al. Planar ultra wideband antennas with multiple notched bands based on etched slots on the patch and/or split ring resonators on the feed line[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2008, 56(9): 3063-3068.[7] KELLY J R, HALL P S, GARDNER P. Band-notched UWB antenna in-corporating a micro strip open-loop resonator[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2010, 59(8): 3045-3048.[8] RYU K S, KISHK A A. UWB antenna with single or dual band-notches for lower WLAN band and upper WLAN band[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2010,57(12): 3942-3950.[9] SRIVASTAVA G, MOHAN A. Compact MIMO slot antenna for UWB applications[J]. IEEE antennas and propagation letters, 2016, 15: 1057-1060.[10] TRIPATHI S, MOHAN A, YADAV S. A compact Koch fractal UWB MIMO antenna with WLAN band-rejection[J]. IEEE antennas and propagation letters, 2015, 14: 1565-1568. [11] LUO C M, HONG J S, ZHONG L L. Isolation enhancement of a very compact UWB-MIMO slot antenna with two defected ground structures[J]. IEEE antennas and propagation letters, 2015, 14: 1766-1769.[12] ZHANG L, CASTANEDA J A, ALEXOPOULOS N G, et al. Scan blindness free phased array design using PBG materials[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2004, 52(8): 2000-2007.[13] IBRAHIM A A, ABDALLA M A, ABDEL-RAHMAN A B, et al. Compact MIMO antenna with optimized mutual coupling reduction using DGS[J]. International journal of microwave and wireless technologies,2014, 6(2): 173-180.。

一款超宽带陷波天线设计
孙孝波;王志刚;张永欣;李静;马胜;王聪;王佩光
【期刊名称】《江西科学》
【年(卷),期】2022(40)1
【摘要】为了很好地抑制5G通信系统(3.4~3.6 GHz)(中国电信:3.4~3.5 GHz;中国联通:3.5~3.6 GHz)对超宽带(Ultra-Wideband,UWB)系统的干扰,设计了一款超宽带陷波天线,超宽带陷波天线包括带有陷波缝隙辐射片、金属地板、介质板。

先设计一款可以工作在超宽带频段的天线,然后在辐射片上采用陷波技术,即开U形缝隙,使得超宽带天线在3.4~3.6 GHz频段内实现陷波特性。

仿真结果表明,该超宽带陷波天线方向图和增益特性良好,能够很好地抑制5G通信信号的干扰。

【总页数】5页(P182-185)
【作者】孙孝波;王志刚;张永欣;李静;马胜;王聪;王佩光
【作者单位】国网信息通信产业集团有限公司;国网思极神往位置服务(北京)有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN828.6
【相关文献】
1.一款新型双陷波超宽带单极子天线设计
2.一款结构简单的双陷波超宽带天线
3.基于超材料的双陷波小型化超宽带天线设计
4.一种紧凑型超宽带双陷波天线的设计
5.一种小型化三陷波超宽带MIMO天线的设计
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