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具有U形寄生元件的带隙超宽带紧凑型平面单极子天线
Bhushan V.Kadam,Lucy J.Gudino,Ramesha C K,Shamanth Nagaraju
摘要：在本文中，我们提出了一个具有陷波特性的紧凑的超宽带（UWB）平面单极天线。所提出的天线是由一个矩形的辐射贴片，部分接地平面和与辐射贴片对称的天线底面上的U形寄生元件组成的。为了避免IEEE 802.11a在频率范围为5.15到5.825 GHz的干扰，我们对寄生元件的尺寸进行了优化，以实现带陷滤波。该天线结构紧凑（19x16x1.6mm），并且在3-10.3GHz范围内，除了陷波频带，天线的驻波比小于等于2。我们选用高频结构模拟器（HFSS）软件来模拟所提出的天线，并分析其性能的谐振频率，驻波比，增益和辐射图案。我们也研究了影响中心频率和带宽的缺口频带的主要因素。
关键词：平面单极天线；超宽带天线；带隙；U形寄生元件
1、介绍
联邦通信委员会（FCC）已经规定了使用3.1至10.6 GHz频段的短距离，高带宽通信被称为UWB通信，其可以应用在高数据速率的个人区域网（PAN），医学和雷达成像。然而，5.725至5.825GHz的IEEE 802.11a与在5.15至5.35GHz的UWB频带重叠。为了避免这种窄带通信的干扰，需要将阻带滤波器集成到UWB天线中。集成额外的滤波器电路会导致设计的复杂性，影响尺寸和成本。因此，设计UWB天线的主要挑战就是在减小尺寸和成本的情况下实现良好的频带特性。带隙滤波功能可以使用各种方法实现，例如使用具有矩形，圆形，六边形和不同槽的不同形状的辐射贴片，例如V形槽，U形槽，W槽，倒U形槽和椭圆形。开槽结构的主要缺点是由于电磁波泄漏导致的辐射图形差。调谐短截线用作谐振滤波器也可以获得陷波带功能，然而即使这种技术能提供更宽的带宽，将调谐短截线插入到UWB辐射贴片中是不利的。陷波带滤波也遵循缺陷地面结构和共面波导谐振电池技术。用于实现带隙滤波的另一种灵活方法是将寄生元件添加到天线的顶部或底部平面。该技术提供了良好的频带抑制特性，具有对频带抑制特性和更宽带宽的单独控制，但是也增加了尺寸。
在本文中，提出了一种简单有效的带U形寄生元件的带隙超宽带紧凑平面单极子的设计方法。 在提出的天线中，设计了单极天线的基本方形贴片平面结构，将U形寄生元件插入基本平面单极天线的底面。 本文所提出的UWB天线满足标准UWB天线的特征，例如紧凑性，均匀增益以及除了带隙频率之外整个频带的电压驻波比（VSWR）le;2。 本文的结构如下。在第2节中，详细说明了所提出的UWB天线的设计和分析。在第3节中，介绍了天线的不同性能参数的仿真结果，如VSWR，增益，表面电流分布和辐射图。第4节表述了文章的结语。
图1、天线的底视图和俯视图
2、天线的设计
为了减小通信设备的尺寸和重量，用于UWB应用的天线应具有紧凑的尺寸。为了实现带隙滤波并使天线的尺寸紧凑以及单极天线的平面结构与U形寄生元件的集成化。图1描绘了所提出的天线的几何形状。
U形寄生元件具有简单的几何形状，具有三个参数，即长度Lu，宽度Wu和寄生元件与底部的距离Mu。U形寄生元件的最佳尺寸已通过高频结构模拟器（HFSS）中存在的参数分析功能实现。 通过彻底的调查，Lu和Mu分别是影响陷波频带中心频率fc和带宽的主要因素。
图2为Lu对陷波频带的影响。U形寄生元件的总长度LT由下式给出：
LT = 2Lu Mp minus; 2Wu (1)
图2、Lu对陷波频带的影响
表1、Lu对陷波频带的影响
U形寄生元件是寄生耦合到辐射贴片的阻带谐振器。 U形寄生元件的谐振频率取决于整个电气长度，即导向波长lambda;g，由下式给出： (2)
其中εef f是有效介电常数，c是自由空间中的光速。表1列出了Lu和相应的LT和fc的不同值。 对于获得的fc的模拟值，从等式2计算lambda;g。仅当U形寄生元件的LT近似等于被引导波长lambda;g时才获得期望的带隙谐振频率。 从表1可以看出，当Lu从8mm增加到12mm时，陷波带的fc从7.39降低到5.69GHz。
图3、Mu对缺口带宽的影响
表2、Mu对缺口带宽的影响
为了避免IEEE 802.11a频段的干扰，陷波频带的带宽应为5.15至5.825 GHz，中心频率为5.5 GHz。为了实现这个带宽，Mu发挥了至关重要的作用。在单极天线结构中，天线的带宽很大程度上取决于谐振结构与地平面的高度。当Mu小时，U形寄生元件移动到接地平面。结果，U形寄生元件和接地面之间的电磁耦合增加，导致带槽带宽增加。图3和表2显示了Mu的不同值的实现带宽。
基于对Lu和Mu的变化的参数化研究，发现了所需频带特性的优化值。在所提出的带隙天线中，对于fc 为5.5GHz和带宽为1GHz，我们选择Lu = 12.5mm，Mu = 5.5mm。天线设计的基板为FR-4环氧树脂，介电常数为4.2，厚度h = 1.6 mm，介质损耗角正切tandelta;= 0.015。平面单极天线结构是长度为Lp = 11mm，宽度Wp = 8mm的矩形补片。为了达到50Omega;阻抗，微带馈线Fw的宽度限制在2mm。在基板的另一侧，存在长度为Lg = 3mm，宽度W = 16mm的局部接地平面。U形寄生元件与位于天线另一侧的矩形辐射贴片对称。所提出的天线的物理尺寸在表3中总结出来了。
表3、天线的物理尺寸
3、模拟结果
在本节中，我们介绍了基于平面单极子的Ansys HFSS仿真，并给出了具有U形寄生元件的平面单极天线的VSWR，表面电流分布，辐射图和增益的仿真结果。图4示展示出了基本单极天线与提出的具有U形寄生元件单极天线的VSWR比较。平面单极天线结构已被用于带宽增强。在基本单极天线中，获得的阻抗带宽为3〜10.5GHz，VSWRle;2。同样，在提出的具有U形寄生元件的单极天线中，实现了相同的带宽。此外，在VSWR大于2的5.1至6 GHz的频率范围内实现了陷波功能。该频率范围作为陷波频带。
为了检查功能详细的带隙，在切槽频带的中心频率即5.5GHz处的模拟表面电流分布如图3所示。 5对于不同的相位角，即45°，90°和135°。 在所需的陷波频率下，能量强耦合到U形寄生元件，因此表面电流分布集中在U形寄生元件上。 结果，天线的阻抗将以期望的陷波频率突然变化，这又将陷波带引入到所提出的单极天线结构中。
图4、基于电压驻波比的基本单极天线的比较
图5、表面电流分布图
稳定增益和全向辐射模式是UWB通信的基本要求之一。图6(a),(b),(c),(d)分别显示了所提出的4.5 GHz，6.5 GHz，8 GHz和9 GHz天线的辐射模式。如图6所示，观察到天线呈现全向共极性和双向交叉极化辐射。图7给出了模拟天线增益与频率的关系曲线。我们可以从图 7看到，整个UWB的基本单极天线的增益几乎是恒定的。 但是，在插入U形寄生元件之后，所提出的单极天线的增益在陷波频带处显著降低。
结论
在本文中，设计和仿真了尺寸为19times;16times;1.6mm的具有U形寄生元件的陷波超宽带紧凑型平面单极子天线。通过在天线的底面上插入简单的U形寄生元件而实现了带隙滤波。天线也获得了较宽的阻抗带宽和稳定的辐射图。 在本文中，我们还研究了fc和阻带带宽的主要影响因素。 所提出的天线在频率范围为3到10.5 GHz时，除了5.1到6GHz的陷波频段，它的VSWRle;2，。 所提出的天线具有UWB通信所需的所有属性。天线紧凑而且设计复杂度较低。更重要的是，通过仅使用两个设计参数即Lu和Mu来调谐带隙特性。 因此，所提出的天线是UWB通信的良好候选。
图6、天线的辐射方向图
图7、dB中模拟天线增益的比较
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