第l9卷 第21期 V01.19 No.21 电子设计工程 Electronic Design Engineering 2011年11月 NOV.2011 一种双阻带椭圆单极子UWB天线的设计 牛树飞1I3,董付强 ,高国平。,杨明茎 3.兰州大学信息科学与工程学院,甘肃兰州730000) (1.中国人民解放军94020部队宁夏银川750000;2.中国人民解放军93811部队甘肃兰州730000; 摘要:通过仿真与实际测试结合的方法,研究并设计了一种用于UWB通信的、具有双阻带特性的紧凑椭圆单板子天 线。双阻带特性是通过在辐射单元上插入一个缝隙和在馈线上引入一共面波导谐振单元实现的。测试结果表明此天 线在3.45 3.75 GHz(覆盖了WIMAX频段)和5~6 GHz(覆盖了5.15~5.85 GHz的WL N频段)分别有两个阻带,此 外.驻波系数在3.1 10.6 GHz UWB的范围内小于2。天线的辐射特性也近似于全向。天线的增益和传输函数也证实 了天线能达到双阻带特性。 关键词:UWB天线;椭圆单极子;带阻特性;共面波导谐振单元 中图分类号:TN822 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2011)21—00∞一03 Design of a dual band-notched elliptical monopole UWB antenna NIU Shu- ̄i t。,DONG Fu—qiang2,GAO Guo・pings,YANG Ming—kun (1.Unit 94020 ofPeople’5 LiberationArmy,Yiehuann 750000,China; 2.Unit 93811 ofPeople’s Libertaion Army,Lanzhou 730000,China; 3.School ofInformation Science and Engineering,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China) Abstract:Using the combining with simulation and test,a novel compact elliptical monopole uhra-wideband antenna with dual notched bands for UWB communication is proposed and investigated.The dual-notched characteristic is realized by an elliptic are-shaped slot ins-erted in the elliptical monopole and a compact eoplanar waveguide resonant cell in the feed line. he measured resulTts show that the frequency band of VSWR<2 covers 3.1 to 10.6 GHz UWB band.while the notched frequency bands are 3.45-3.75 GHz which covers 3.5 GHz WIMAX anti 5-6 GHz which covers 5.15—5.85 GHz WL N band. and the two notchedbands are separately achieved.The proposed antenna has a monopol ̄like radiation patterns.Gain of the proposed antenna and transfer function study show that dual bandnotched characteristics achieved which conforms with the results of VSWR. Key words:UWB antenna;elliptical monopole;band-notched function;compact coplanar waveguide resonant cell(CCRC) 近年来,各种各样的平面单极子UWB天线被广泛研究。 这些天线有着很宽的带宽和近似全向辐射等非常好的特性。 但是UWB通信系统在实用时。会对其它通信系统产生干扰, 如UWB覆盖的频段(3.1~10.6 GHz)里就包括WLAN和 1天线设计 图1展示的是本文提出的天线几何参数,天线所在的印 刷板相对介电常数是2.78,厚度是0.8 mm。天线的总体大小 为30 mmx35 mm。椭圆辐射片长轴20 mm和一个短轴14 mm。 设计的CCRC共振于3.5 GHz,这样它就可以提供了WIMAX 频段的阻带。椭圆槽在椭圆辐射片上插入椭圆槽,这样它就 可以提供了WLAN频段的阻带。天线的其他参数如下:£ =8mm, L1=20mm,L2=17mm,L3=8mm,腰4=26omm,s=0.4 mln,s1 =0.4 mm,L5=7.5 mm,Wl=4 mm,W2=1 mm,d:0。5 mm,dl= WIMAX两个通信系统。所以一个UWB天线就需要有一个阻 带来防止通信时候与其它通信系统干扰。目前的UWB天线 的阻带主要是通过在辐射片上开缝[ 。加各种形状枝节[3-51和 采用共面波导谐振单元 等来实现的。但是以上方法要么设 计很复杂.要么只能覆盖一个阻带。 文中设计的天线具有两个阻带,分别覆盖了3.5 GHz WIMAX频段和5 GHz WLAN频段。两个阻带分别通过开一 个椭圆形的缝和共面波导谐振单元独立实现。仿真和实测结 果表明,文中设计天线能很地在工作于UWB频段时,防止 3.5 GHz WIMAX频段和5 GHzWLAN频段干扰。 0.3 mm、d2=0.3 mm、 =0.5 mm。 2仿真和实验结果讨论 该双阻带UWB天线通过微波工作室软件CsT仿真。制 作了几个原型进行测试和检验。测量用安捷伦E8363B矢量 收稿日期:201l一06—27 稿件编号:201 106136 研究方向:无线通信。 作者简介:牛树飞(1983一),男, 陕西榆林人,硕士,助理工程师。 90- —-牛树飞。等 一种双阻带椭圆单板子UWB天线的设计 ∞ nv a,Oo 7,O 5 4 3 2 1 图1天线的几何示意图 O 9Fig.1∞ 8 Geomet7 6 5 ry 4of 3the pr0p0sed antenna 2 l nu 9 8 7 网络分析仪。对影响阻带特性的各天线参数进行了研究。 2.1阻抗带宽测量 图2是天线仿真和实测的驻波系数对比曲线。从图表里 可以观察到.这两种结果吻合较好。阻抗带宽测量表明,天线 在UWB(3.1~10.6 GHz)通信频段中实现了WLAN和WIMAX 频段两个阻带。实测了驻波系数有点大于仿真结果。原因主 要是由于制造误差、SMA连接器和数值计算的误差。 FreqlIency/GHz 图2天线仿真和实测的驻波系数图 Fig.2 Simulated and me.urea VSWR of hte pmpos ̄antenna 2.2天线参数对无线局域网阻带(5 GHz)的影响 图3是槽宽度s 对5.5 GHz阻带的影响。仿真中, 3=8 mm, 4=2.60 mln,L =O miD_。从中清楚地看到了缝宽度明显 的影响阻带。槽宽度的增加,天线阻带宽度也增加。当槽宽度 s,太小(s1<0.1 mm),对阻带的影响是可以忽略不计的。 图4是槽的长度 对5.5 GHz阻带的影响。通过对椭圆 槽孔与长短不一的工3=7 mm,L3:8 mm,L3=9 mm(L ̄2.6 mm) 进行了仿真发现。随着 ,越来越长,阻带向低频移动。这样就 可通过改变开槽的长度和宽度来有效控制阻带。 Frequency/GHz 图3不同的槽宽度下的天线的VSWR Fig.3 Simulated VSWR of the proposed natenna for diferent slotwidth 5 4 3 2 l 图4不同的糟长度下天线的VSWR Fig.4 Simulated VSWR of the pmp0sed antenna for diferent slotlength 2.3天线参数对3.5 GHz WIMAX阻带的影响 CCRC长度£ 对3.5 GHz阻带的也在CST中时行了仿 真。图5表明了在sl=0 mm,dl=0.3 mm,d2=0.3 mm时,不 同的 时候天线的驻波。从中可看出CCRC长度明显影响阻 带的高低和位置。随着CCRC长度的增加,阻带位置向低频 移动.阻带高度增加。对其他重要的参数,CCRC的d。、d2等也 进行了讨论。图6显示在s1=0 mm,L =8 mm,d2=0.3 mill, 不同的d。对阻带的影响。它表明不同d。对阻带位置和高低 及整体驻波比有显著影响。随着d。增加,阻带位置降低,整体 驻波系数增大。同时,图7显示的是在s :0 nlln,L。=8 mm, dl=0.3 mm时,不同的 对阻带的影响。它表明随着d2增 大.阻带位置向高频移动,整体驻波系数也增大。 2 3 4 5 6 7 8 9 l0 l1 12 Ffequency/Gfjz 图5不同的 下天线的VSWR Fig.5 Simulated VSWR of the pr0p0sed antenna for diferent CCRClength L —-91—- 事∞ 6 O《电子设计工程)2011年第2l期 ∽ O 9 8 7 6 5 4; Frequency/Gtiz 图6不同的d。下的天线的VSWR Fig.6 Simulated VSWR of the propos ̄antenna for diferent dl 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 Frequency/Gttz 图7不同的d2下天线的VSWR Fig.7 SimulatedVSWR ofthe propos ̄antennafor different d2 2.4天线的增益和方向图 天线在 _z平面和 平面不同频率下的方向图分别如 图8(a)和图8(b)所示,从图中可看出,天线在 平面近似 全向的,在', 平面则是全向的。图9是天线的实测方向图, 从图中可看出,天线在阻带处的增益是明显小于其他频段 的。天线在工作频段内的增益在1.67和5.2 dBi之间。这就说 明天线是符合实际工作情况的.在实际应用中完全可在 UWB频段内实现双阻带。 图8不同频率下天线方向图 Fig.8 Simulated radiatio“pattems at different fbquencie8 2.5天线的群时延 由于UWB系统在工作使用的传输信号是短脉冲。所以 研究天线在短脉冲信号下的性能也是很要的。测量时,把天 线系统可看作一个两端口网络.用两个相距10 cm的天线来 测量天线的群时延。从图10中可看出,天线的群时延在阻带 处有6~l0 s,而在通带处则只有2 8左右,而且比较平坦。 图11中的S 对应于天线系统的传输函数。从这个测量结果 -92- 蟊 ” 三 矗一S 一l0 —1 5 3 4 5 6 7 8 9 l0 11 Frequency/Gltz 图9天线的实测增益 Fig.9 Peal【gainofthe propos ̄antenna 可看出,天线的群时延与传输函数吻合较好。证明天线在用 于UWB时的群时延特性很好。 l 0 8 6 善 再2 言0 占一2 枷 圳 圳 —4 —6 2 4 6 8 10 l2 nequency/G}lz 图10天线的群时延 Fig.10 Group delay for the antenna systems 2 4 6 8 lO 1 2 Fre qlIency/GHz 图II天线系统的 。 Fig.11 Amplitude of s21 for the antenna systems 3 结 论 本文设计研究了一种双阻带UWB天线。天线通过开槽 和加入共面波导谐振单元实现3.5 GHz WIMAX和5 GHz WLAN两个阻带,两个阻带彼此独立。可以通过调整椭圆弧 形槽和CCRC的参数得到不同阻带。实测结果表明,该UWB 天线具有双阻带特点。仿真与实测非常接近。该UWB天线 可有效防止超宽带通讯系统与其他无线系统干扰,应用前景 很好。 (下转第96页) 《电子设计工程}2011年第21期 使优先级低的信息发送间隔时间太长;在信息响应或者等待 中采用超时机制,防止陷入死循环;采用数据校验,以保证数 据的可靠性;硬件故障自诊断;检测总线错误信息,并作相应 处理;设计合理的波特率等。 在硬件可靠性设计上主要考虑电磁兼容问题,以保障设 届国际矿山安全研讨会论文集.2007:313—318. [2]邬宽明.CAN, ̄线原理和应用系统设计【M】.北京:北京航空 航天大学出版社.1996. 【3】秦健.基5-CAN, ̄.线驱动器和异步收发器的通信网络[J】.计 算机测量与控制,2010,18(2):443—445. 备在强电磁干扰环境中仍能够协调、有效地进行工作。在设 计上具体做如下处理:针对不同信号,选择合理的导线宽度, 尽量加粗接地线;正确选择单点接地或多点接地;将数字电 路与模拟电路分开;采取部分或全部屏蔽措施;采用正确的 布线策略:还要考虑去耦电容配置、印制电路板的尺寸、器件 的布置和散热情况等。 QIN Jian.Communication network based on CAN bus driver andasynchronousreceiverAransmitte ̄JrI Computer Measurement &Control,2010,18(2):43—445. 【4]Microchip Technology Inc.Stand—Alone CAN Controller with SPI Interface【EB/OL】.(2005一O1—03).http://ww1.microchip. eom/downloads/en/DeviceDoc/21801d.pdf. 系统运行可靠,网络布置设计是重中之重,因此在网络 设计上需要注意如下问题:最好采用总线型结构.其它结构 需要配以网络分配器:可以采用冗余设计;总线节点引出线 不宜过长,以免信号反射;传输介质采用屏蔽双绞线,以抑制 电磁干扰:网络终端配置匹配电阻,吸收网络上的反射波,消 【5】广州志远电子有限公司.CTM8251A通用CAN隔离收发器 [s].广州:广州志远电子有限公司,2009. 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