基于SRR结构的陷波超宽带天线设计_孙荣辉

基于SRR结构的陷波超宽带天线_孙荣辉 第 31 卷 第 1 期 电 子 元 件 与 材 料 Vol.31 No.1 2012 年 1 月 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Jan. 2012 基于 SRR 结构的陷波超宽带天线设计 孙荣辉，高卫东，刘 汉，沈 旭 (电子工程学院，安徽 合肥 230037) 摘要: 针对超宽带系统易受窄带信号干扰的问题，设计了一种新颖的 基于金属开口谐振环(SRR)结构的平面超 宽带陷波天线。在天线的辐射贴片上加载 U 形缝隙，实现了其陷波 特性。利用仿真软件研究了 U 形缝隙的物理尺 寸对其陷波特性的影响，并对所设计的超宽带天线进行了制作和测 量。结果表明，所制天线在超宽带系统 3.1~10.6 GHz 工作频段的电压驻波比(VSWR)小于 2，在 WLAN 频段具有良好 的陷波特性，有效地抑制了超宽带通信系统 与窄带通信系统之间潜在的干扰。 关键词: 超宽带天线;陷波特性;金属开口谐振环;U 形缝隙 中图分类号: TN82 文献标识码:A 文章编号:1001-2028(2012) 01-0047-04 Design of a band-notched ultra-wide band antenna based on SRR structure SUN Ronghui, GAO Weidong, LIU Han, SHEN Xu (Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China) Abstract: A novel planar ultra-wide band (UWB) antenna based on metal split ring resonator(SRR) structure with band-notched characteristics was proposed according to that UWB system was easy to be interfered with the narrow-band signals. U-shape slot in the radiating patch was utilized to achieve the band-notched characteristic. The effect of the physical size of the U-shape slot on the antenna band-notch characteristic was studied using simulation software, the designed antenna was fabricated and measured. The results indicate that the voltage standing wave ratio (VSWR) of the prepared antenna is less than 2 in the impedance bandwidth range of 3.1 to 10.6 GHz and possesses the antenna good band-notched characteristic in the bandwidth of WLAN, which suppresses the potential interferences between the ultra-wideband communication systems and the narrowband communication systems effectively. Key words: ultra-wide band antenna; band-notched characteristic; metal split ring resonator; U-shape slot 自 从 美 国 联 邦 通 信 委 员 会 (Federal Communications Commission, FCC) 于 2002 年将 3.1~10.6 GHz 频段划归为超宽带 (Ultra-wideband, UWB)的民用频段后 [1] ，UWB 通信系统的设计和应 用成为无线通信领域激烈竞争的焦点。超宽带天线 是电子信息战中电子对抗设备的关键部件，在冲激 雷达等时域系统中具有广泛的应用 [2] 。作为超宽带系 统的重要组成部分，新型超宽带天线的设计成为近 年来研究的热点。 但是，考虑到 UWB 通信系统的工作频段内还存 在诸如 IEEE802.11a 无线局域网(WLAN, 5.15~5.35 GHz, 5.725~5.825 GHz)、IEEE802.16 全球微波互联 网络(WiMAX, 3.4~3.6 GHz)和 C 波段卫星通信系统 (3.7~4.2 GHz)等其他通信系统，从系统兼容与频谱复 用的角度出发，为了抑制超宽带系统与窄带系统间 潜在的干扰，除了采用各种信号处理技术提高频谱 利用效率以外，通常还需要在超宽带系统内加入带 阻滤波器来滤除窄频带，但这不仅增大了系统的复 杂度，同时还增加了成本。一种简单而有效的方法 就是使超宽带天线在 WLAN 的频段内呈现较大的反 射系数，即具有所谓的“陷波”功能而呈现收发“钝 态”，以降低天线在重叠频段内的发射能力或接收灵 敏度，而常规的超宽带天线难以满足这一要求。具 有陷波功能的小型平面超宽带天线已经成为近年来 的一个热门研究课题。 因此，国内外近年来的实验研究中出现的不少 文献都对具有陷波特性的UWB天线 [3-8] 进行了研究。 陷波 UWB 天线有许多种结构，其中单极子天线形式 研 究 与 试 制 收稿日期:2011-10-10 通讯作者:高卫东 作者简介:高卫东(1959,)，男，安徽蚌埠人，高级工程师，研究方向为电磁兼容和微波电路理论，E-mail: wdgao@163.com ; 孙荣辉(1987,)，男，河南新乡人，研究生，研究方向为具有陷波特性的超宽带微带天线设计，E-mail: tk-sunronghui@163.com 。 网络出版时间:2011-12-26 11:18 网络出版地址: 7.html48 孙荣辉等:基于 SRR 结构的陷波超宽带天线设计 Vol.31 No.1 Jan. 2012 最为常见。产生陷波的结构也有多种形式，例如在 辐射贴片上加载缝隙结构 [3-5] ，改变接地板的结构 [6] ， 或者在贴片上添加匹配枝节 [7-8] 等，使天线在特定频 段内产生较大的反射系数，从而实现陷波。 基于以上研究背景，笔者首次提出了一种基于 方形金属开口谐振环(SRR) [9] 结构的UWB天线 [10-11] ， 并通过在辐射贴片上加载 U 形缝隙的方法，在 WLAN 频段内实现了陷波功能。该天线在 3.1~10.6 GHz 工作频段内的电压驻波比(VSWR)小于 2，而在 用于陷波特性的频段内，VSWR 大于 2，实测结果与 仿真结果吻合较好，显示出良好的陷波特性。表明 该天线具有良好的工作特性，是一种具有实用价值 的小型超宽带天线。 1 天线结构与设计原理 最早，SRR 结构是由英国皇家学院院士 Pendry 等 [9] 提出的，是用来实现左手材料的等效负磁导率 的，后来，Yang 等 [10] 根据 Marques 等 [12-13] 的理论， 提出了一种基于圆形 SRR 结构的超宽带天线，其工 作频段为 3.6~14.6 GHz，几乎覆盖了 UWB 通信系统 的整个工作频带。文献[10]详细讨论了这种基于 SRR 结构的 UWB 微带天线的工作特性，并指出了其在 UWB 天线的小型化设计和作为天线阵中一个基本单 元等方面具有潜在的应用价值，同时提出其在天线 的结构形状方面还有广泛的研究空间。 本研究内容实际上是对Yang 等工作的进一步拓 展和提升。提出了一种基于正方形 SRR 结构的 UWB 天线，工作带宽为 2.95~11.75 GHz，图 1 为本研究所 提出的正方形SRR结构的UWB天线的结构示意图。 通过在天线的辐射体上嵌入“U”字形缝隙的方法， 在 5.15~5.95 GHz 的频段范围内产生陷波，从而有效 地抑制了 UWB 通信系统与 WLAN 系统之间潜在的 干扰。 图 1 基于正方形 SRR 结构的 UWB 天线结构示意图 Fig.1 Schematic diagrams of UWB antenna based on square SRR structure 通常从概念上来讲，都是将所嵌入 U 形缝隙的 总长度 L d 调整为相应陷波频段中心频率对应波导波 长的一半，也即在天线结构中引入了一个半波长的 谐振结构，从而获得陷波特性。用公式可表示为: (1) 式中:L d = L u + 2 w u ;c 表示光速;f notch 表示陷波频 段对应的中心频率; r 表示介质的相对介电常数。设 计之初，按照(1)式给出缝隙的尺寸，之后再进行 微调完成最终设计。图 1 所示基于正方形 SRR 结构 的 UWB 天线的具体尺寸参数如表 1 所示。 表 1 天线的物理尺寸 Tab.1 The physical sizes of the antenna mm L w L u w u s L 1 L 2 L 3 L 4 g L g 14 3.4 14 2.1 0.4 15 9 5 3 1.2 12.9 该天线制作在 r = 4.4，厚度 H = 1.6 mm，tan = 0.02 的聚四氟乙烯基板上，基板尺寸为 30 mm×35 mm。利用电磁仿真软件 HFSS 10.0 对陷波前后天线 的电压驻波比进行计算，所得结果如图 2 所示。可 见，该天线在加入 U 形缝隙后，在 5.15~5.95 GHz 频段具有良好的陷波特性。 图 2 加入 U 形缝隙前后天线的电压驻波比 Fig.2 The VSWR of the antennas with and without U-shaped slot 2 天线的陷波特性 为了更清楚地了解 U 形缝隙的尺寸参数对天线 陷波特性的影响规律，以便在可能存在潜在干扰的 窄带信号频段设计出相应的具有陷波特性的 UWB 天线，接下来继续应用电磁仿真软件 HFSS 10.0 对影 响天线性能的某些关键参数进行与研究，主要 考察的尺寸参数有:U 形缝隙的总长度 L d 和宽度 s。 图 3 为 U 形缝隙的物理尺寸对天线电压驻波比 的影响。图 3 表明 U 形缝隙使得天线在 WLAN 频段 产生陷波。图 3(a)显示的是 U 形缝隙的总长度 L d 的 变化对天线陷波性能的影响，可见随着 L d 的变化， 对应的中心陷波频率也出现明显的变化，L d 越短则 陷波中心频率越高;图 3(b)显示了 U 形缝隙的宽度 s 的变化对天线陷波性能的影响，可见随着 s 的增大， 对应的中心陷波频率也呈现出逐渐升高的趋势，但 变化幅度并不是很明显。因此，可以通过调节 U 形 缝隙的长度和宽度来实现不同频段上的陷波功能。 正视图 侧视图 底视图 O x O xO y y y w L L g L 1 L 2 L 3 L 4 L u w u L sub W sub g s H d notch r 2 1 c L f 2 4 6 8 10 12 14 f / GHz 加入 U 形缝隙 无 U 形缝隙 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 压驻波比电第 31 卷 第 1 期 孙荣辉等:基于 SRR 结构的陷波超宽 带天线设计49 (a) 总长度 L d 对天线电压驻波比的影响 (b) 宽度 s 对天线电压驻波比的影响 图 3 U 形缝隙的物理尺寸对天线电压驻波比的影响 Fig.3 Effects of U-shaped slot’s physical sizes on the VSWR of the antenna 3 结果与分析 基于图 1 所示的 SRR 形 UWB 天线的结构示意 图以及表 1 中该天线结构中的具体尺寸参数，笔者 对所设计的加入 U 形缝隙和寄生条带后的双陷波 UWB 天线进行了实际加工制作，天线整体尺寸为 35.0 mm×30.0 mm×1.6 mm，介质基板选用聚四氟乙 烯材料， r = 4.4，tan = 0.02，图 4 所示为加工的实 物照片。利用 Agilent N5230A 矢量网络分析仪对天 线的电压驻波比进行了测量，实测结果与仿真结果 的对比如图 5 所示。 (a)正视图 (b)背视图 图 4 SRR 形 UWB 天线的实物照片 Fig.4 The photographs of fabricated SRR-shaped UWB antenna 由图 5 可以看出，天线在 2.75~11.05 GHz 通带 频段范围满足电压驻波比小于 2，在 5.15~5.95 GHz 的频段具有陷波特性。陷波频段包含了 5.15~5.80 GHz，能够有效抑制 WLAN 系统的干扰，达到了设 计要求。仿真结果和测试结果基本吻合，只是在高 频段存在偏差，笔者分析两者存在的误差主要是由 天线尺寸中U形槽的加工误差和SMA同轴接头的焊 接等因素造成的。 图 5 天线电压驻波比的仿真结果与实测结果对比 Fig.5 The comparison of simulated and measured VSWR of the proposed antenna 超宽带天线的工作频带很宽，其各项性能指标 是与频率有关的函数，在整个频段内无法保持恒定， 所以只采用阻抗带宽来描述超宽带天线的特性是不 够的，此外还必须考察天线是否具有稳定的方向图。 选取 3，5 和 8 GHz 3 个频率点对天线远场进行仿真 计算，得到归一化辐射方向图，如图 6 所示。从图 6 (a) 3 GHz 处方向图 (b) 5 GHz 处方向图 (c) 8 GHz 处方向图 图 6 天线的 E 面和 H 面辐射方向图 Fig.6 E-plane and H-plane radiation patterns of the proposed antenna 2 4 6 8 10 12 14 f / GHz L d =12 mm L d =15 mm L d =18 mm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 压驻波比电 2 4 6 8 10 12 14 f / GHz s = 0.2 mm s = 0.4 mm s = 0.6 mm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 压驻波比电 E 面 H 面 90 0 0 120 150 180 210 240 270 300 330 30 60 –5 –10 E 面 H 面 90 0 0 120 150 180 210 240 270 300 330 30 60 –5 –10 E 面 H 面 90 0 0 120 150 180 210 240 270 300 330 30 60 –5 –10 2 4 6 8 10 12 14 f / GHz 仿真结果 测量结果 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 压驻波比电50 孙荣辉等:基于 SRR 结构的陷波超宽带天线设计 Vol.31 No.1 Jan. 2012 可以看出，天线 E 面(y-z)方向图呈现“8”字形，与 偶极子天线类似，H 面(x-z)方向图在整个频段内 近似为等幅全向且具有对称性，可收发各个方向的 信号。虽然在高频段主瓣略有偏差，但远场方向图 基本一致，满足 UWB 天线整体带宽内辐射一致性的 要求。 图 7 为加入 U 形缝隙后天线的增益特性曲线。由 图 7 可见，天线在整个工作频段内具有较好的增益特 性，在陷波频段处增益显著下降，天线几乎不工作， 表明天线具有明显的陷波特性，达到了对中心频率为 5.75 GHz 的潜在干扰频段进行抑制的目的。 图 7 加入 U 形缝隙后天线的增益特性曲线 Fig.7 Gain curve of the proposed antenna with U-shaped slot 4 结论 为了有效地抑制超宽带通信系统与窄带通信系 统之间潜在的干扰，设计了一种基于 SRR 结构的新 型平面超宽带天线。通过在天线的辐射贴片上加载 U 形缝隙的方法实现了其陷波特性。使用电磁仿真软 件 HFSS 10.0 分析了 U 形缝隙的尺寸参数对天线陷 波特性的影响规律，并对天线进行了实际制作和测 试，仿真结果和测试结果基本吻合。研究了天线的 归一化远场辐射方向图和陷波后的增益特性，结果 显示，该天线在 2.75~11.05 GHz 的频带范围具有良 好的阻抗特性和辐射方向特性，在其中 5.15~5.95 GHz 范围具有陷波特性。该天线尺寸小，具有便于 电路集成的平面印刷结构,可作为超宽带天线的设计 应用于短距离无线通信设备中。 参考文献: [1] Federal Communications Commission. 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(编辑:陈渝生) 科学家研制零折射率“超材料”新纳米结构 能完全操控光的传播 一个国际科研团队研制出了一种新的光纳米结构，使科学家能操纵光的折射率并且完全控制光在空气中 的传播。最新研究，光(电磁波)能通过人造媒介，从 A 点无任何相变地传播到 B 点，好像该传播媒介完 全在空气中消失一样。这是科学家首次在芯片规模和红外线波长上实现同相传递和零折射率。 科学家们将正折射率和负折射率结合在一起，实现了对光子相位的精确控制。自然界中所有已知材料的 折射率均为正。科学家们通过对这些人造亚波长的纳米结构进行蚀刻，实现了对光传播的控制，使该媒介中 出现了一个负折射率。科学家们接着将该折射率为负的媒介同一个折射率为正的媒介串联在一起，使得最终 得到的纳米结构表现得好似其折射率为零。 (摘自科技日报) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 f / GHz 6 4 2 0 –2 –4 –6 益增 / Bd