使用混合HRW/CCLL的高选择性的带阻Vivaldi天线

抽象

一种简化的凹形设计方法显示了高频段选择性。通过适当引入半波长谐振器(HWR)和互补电容加载环路(CCLL)，在保持无线通信天线的宽阻抗带宽的同时，提高了缺口带宽的选择性。通过中间弯曲使第一凹极聚焦，利用CCLL在辐射片上获得第二凹极。此外，在理论分析中可以通过两个加载谐振器的位置和尺寸来确定凹极的谐振频率，从而实现具有所要求的凹极带的宽带天线。最后制作了加载谐振腔的Vivaldi天线，验证了该方法的可行性。测量和模拟实验结果表明，该天线在通带内具有方向性，在带阻下增益低，在一定频率范围内具有良好的选择性。仿真结果与实测结果吻合较好。该天线在2.6-13.7 GHz和4.49 - 6.64 GHz之间实现S11<−10 dB，以拒绝IEEE 802.11a和HIPERLAN/2频段。此外，该天线具有良好的频率选择性，在通带增益足够好，峰值增益可达10.8 dBi。该天线设计具有频率适应性，实现了具有可控缺口波段的超宽带天线。

1.简介

近日，有限的电磁频谱资源越来越具有挑战性，以满足频率日益增加的需求。Because of the excellent performance of approved 3.1–10.6 GHz band ultrawide bandwidth (UWB) antenna in data transmission and power consumption, UWB communication has been the focus of research for a long time [1]。超宽频无线通讯以其高数据速率传输和衰落的鲁棒性，以及低成本和低损耗普及率等优点，受到全世界的关注[2,3.]。可预见，超宽频无线通讯系统有潜力实现通用通讯需求，以满足当今密集网络设备的用户分配需求[4]。Although the frequency band is far from being fully utilized, the pressure can be relieved by eliminating the frequency interference between the UWB communication system and WLAN band (5.15–5.825 GHz) [5,6]。因此，研制具有缺口带宽的宽带天线具有重要的意义。有两种主要的方法来实现陷波带。第一种方法是在地面或辐射斑上蚀刻凹槽和狭缝[7- - - - - -11，另一种是在激发源上或激发源附近添加不同结构的谐振子[12- - - - - -15]。然而，蚀刻狭缝或引入谐振器所产生的缺口只显示狭缝中的一极，这不足以提高狭缝的选择性。在[4，通过同时引入两极来提高陷波带的选择性，但两极的辐射增益受到限制。

超宽带技术已经被世界上大多数国家所接受。不同的超宽频天线包括介质谐振器天线、印刷缝隙天线、印刷单极子天线和平面微带贴片天线等相继被提出[16]。其中，Vivaldi天线是一种能够引入缺口波段同时又能保持良好辐射特性的定向天线。目前，有几种方法实现缺口Vivaldi天线，包括在辐射元件中蚀刻槽[17,18，引入几个谐振器来产生几个带缺口特性[19,20.]，并在激发源附近加载一个矩形谐振器[21,22]。然而，这些设计通常导致相对平坦的过渡频带和陷波和工作频带，这限制了它们的应用之间的低辐射增益。

在本文中，提出了一种新的方法来设计具有改善的频率选择性的陷波频带Vivaldi天线。为了实现这一目标，一个半波长谐振器（HWR）和开槽互补电容性负载环路（CCLL）引入传统的Vivaldi天线，并且获得在WLAN频带中的陷波的带宽响应。通过分析2个加载谐振器的谐振特性，它们的频率位置可以被确定，并且可以形成混合谐振器/回路。将合并的底层和顶层可充分利用该电路板的，在不增加电路尺寸。

2.建议天线的设计

采用开路谐振腔与狭缝组成的复合结构，可以获得具有足够抑制带宽的特定陷波带，从而在有限频带内实现具有高选择性的滤波频率。带缺口的微带线馈给原始的Vivaldi天线(antenna - o)，而提出的Vivaldi天线(antenna - n)如图所示1(一)和1分别(b)。天线o尺寸(73×45×0.787 mm)^3.)被印在Rogers 5880衬底上(介电常数为 )。天线的激励是由使用微带线与阻抗过渡技术匹配50ΩSMA连接器。本设计采用的指数锥形曲线可以表示为 在哪里R是控制狭缝波束宽度的指数因子。在我们的设计中,R设置为0.09，而宽度(W₁)及长度(l₁)的槽线分别为26 mm和57.785 mm。在衬底的背面，一条与槽线垂直的微带线相交。馈线中包含阻抗匹配电路，馈线的阻抗取决于馈线的宽度，电流主要分布在馈线的上边缘。微带到槽线的转变是通过在衬底的一侧蚀刻槽线来实现的。优化后的天线尺寸总结如下:R₂= 7,R₁= 6.5,l₄= 7.04,W₄= 0.8,l_3.= 6.68,W_3.= 1.43,l₂= 15.93,W₂= 1.83。该天线为锥形槽形天线，具有良好的阻抗匹配性频率范围在2.2-13.9 GHz。

2.1。开路谐振器

正确引入HWR和CCLL后，Vivaldi天线可以在工作频带内实现两个缺口极点的天线，如图所示1(b).对于第一缺口杆，它是由安装在圆形槽上的高沸水引起的。当信号从微带馈电发出时，它将与底层的梯度槽耦合。然后，信号将通过圆形槽，并耦合到HWR。当对称面边界条件与槽边界条件一致时，耦合将发生在高堆的顶部，从而获得最强的能量。高堆的结构是对称的z-具有中心点的轴线，该中心点与圆形底槽的中心点相同。谐振器的输入阻抗可以表示为 。当应用共振时，与和 ,刻痕工作频率与长度的关系可以推导为 在哪里是的函数和 ,的实际长度 。高wr的电子长度约为拒绝的频率中心的半波长 。 为相对介电常数，是有效介电常数是光的速度。切口波段天线被按照上述设计原则的模拟和优化。With the insertion of the slot, we got notched band at 3.6–4.6 GHz. For demonstration, Figures2(一个)和2 (c)显示VSWR和天线的近似等效电路。

如图所示2 (b)时，第一个缺口极的位置随HWR角度的不同而变化。作为α缺口频带的中心频率从4.3 GHz增加到5.01 GHz，绝对带宽从1.02 GHz减少到2.3 GHz。谐振器角度的减小使工作频率转移到所需要的频带，具有更高的缺口值和更宽的带宽。角度的变化α可以对电磁波的收敛产生适当的影响，而匹配波长可以通过高wr的长度变化来调节。值得注意的是，谐振腔的角度不仅有效地改善了缺口带，而且有助于提高天线的阻抗。

2.2。互补电容负载回路

单极机的性能还有进一步提高的空间。第二缺口位置由槽线谐振器获得。在第一步中，在介质基板的顶部使用了一条弯曲的槽线。如图所示3(一个)，这将导致反射最大值为5.86 GHz。在此基础上，对尺寸优化的槽线进行扩展，在原结构上形成裂环，虽然带宽水平略有下降，但峰值得到了提高。因此，为了在保持低反射水平的同时提高滚转性能，在设计中增加了裂环槽，从而提高了滚转性能z轴被放置渐近线的间隙附近。互补开口环在图3 (b)displays one peak at 5.78 GHz while maintaining reflection magnitude −2.4 dB for the resultant band. Due to the ring shape resonances, the low region of the reflection spectrum shows a magnitude of approximately −8.1 dB. The notch position of the new reflection spectrum shows the same trend in both extension directions. The length of the total length is constant. Compared with a single slot line, the degree of impedance matching after bending is improved, and the influence on the high-frequency portion is small. To ensure consistent strength of notch band, maintain a stable distance from the gradient line and the feed line of the bottom. The gaps are placed in horizontal directions to maintain the geometric symmetry. As a magnetic resonance structure that is responding to vertical magnetic fields, CCLL can be used to create band notches for UWB antennas. The roll-off performance of the antenna with notch band can be improved by introducing a CCLL on both sides of the asymptote groove line to introduce another notched pole.

事实上，当裂环共振处于时变电磁场中时，金属环产生感应电流，由于开口的存在，同一侧的内外金属环逐渐积累不同的电荷，形成位移电流。根据双原理，如果金属表面是理想电导体(PEC)，则间隙是理想磁导体[23]。因此，当CCLL结构受到随时间变化的电场或随时间变化的磁场沿所述环的打开方向和平行于所述环面CCLL可以产生强烈谐振。由于典型的Vivaldi天线的操作依赖于微带馈电，带隙特性由CCLL的天线上的位置的影响。E场分布和CCLL的具体结构示于图4和5,分别。改进是改变内环上的闭合环，增强外环和内环之间的耦合，从而形成有效的缺口带。内环长度l_dCCLL也可用于调整第二缺口极的频率位置。

因此，为了实现设计的陷波极的陷波带和下拉特性，可以根据图中所示的关系选择两个合适的负载谐振器结构参数2和3.。HWR和CCLL元件相对馈线和槽线的位置可以进一步微调以获得最佳阻抗匹配。

2.3。高选择性的分析

通过改变微带线与槽线部分之间的位置来实现所要求的强耦合。采用混合缺口结构设计了一种具有可控陷波带的新型超宽带天线。缺口波段功能是超宽带天线的关键特性之一，特别是在按需无线局域网波段，以避免与现有许可波段的干扰。通过分析不同陷波频率下各天线的电流分布，可以进一步了解陷波频带的实现机理。如图所示，在5ghz时，电流主要集中在HWR6(一)。相反，基于数字6 (b)时，在5.9 GHz时，电流主要分布在CCLL的内环之间。因此，如果在附近分布两个缺口极，天线很难在这两个频率处辐射，从而达到预期的缺口极。

在IEEE 802.11a、HIPERLAN/2等窄带系统的应用中，缺口天线的选择性是影响缺口天线设计的一个重要因素，确定- 3 dB带宽与- 10 dB带宽之比作为滚转准则，便于评价缺口带宽的选择性。数字7显示了一个模拟三种天线的比较。与其它天线相比，具有高wr和CCLL的陷波带具有更高的滚转性能。对于最终天线，滚转比达到0.67，而对于具有高wr和CCLL的天线，滚转比仅为0.41和0.46。此外，该天线的陷波带的返回损失达到- 1.24 dB，这意味着大多数信号在陷波带被反射。可见，谐振腔的位置参数可以大大提高陷波带的选择性能。

3.结果与讨论

3.1。群时延的人脸对脸

超宽带天线的失真程度可以用群时延来表征。在超宽带系统中，稳定的群延迟和较少的非均匀性总是被期望的。将两个设计的天线放置在距离为10cm处，测量该天线的群时延，如图所示8。除了缺口波段(>9 ns)外，整个工作波段的群延迟小于1 ns。除缺口波段外，组延迟相对平坦，表明该天线具有线性传输性能。

3.2。天线性能与分析

为了研究本文提出的凹形Vivaldi天线在5-6 GHz频段工作的合理性，将天线原型制作在31 mil (0.78 mm)厚的Rogers 5880可用基板上进行实验验证，如图所示9(一个)。利用安捷伦矢量网络分析仪对所设计天线的S11和辐射特性进行了测试。制造和测量的结果如图所示图9（b）;仿真结果与实测数据吻合较好。从结果中可以清楚地看出，该天线的工作带宽为2.6至13.7 GHz，且具有WLAN波段的拒带功能。该天线的缺口频段为4.49-6.64 GHz，频率为5.5 GHz。模拟和测量的S11结果之间的差异可能是由于不准确的处理和衬底损耗的切线。

仿真和测量的最终天线增益如图所示图9（c）。可以推断，该天线的增益在整个频带内均大于2dbi。值得注意的是，增益在5.5 GHz频率附近急剧下降，这是在锯齿波兰人的频段。结果表明，所选择的捕获特性与期望捕获特性的良好结合适用于WLAN波段的无线通信应用。

数字10显示模拟及测量的e平面辐射模式(yz-飞机)及h -飞机(xz-飞机)在3,7，和10 GHz。演示辐射模式的主要目的是证明该天线工作在宽频带上。由于在高频率下等效辐射面积增加，故e面辐射模式基本不受影响。实验结果与模拟结果吻合较好。此外，从图中可以看出，该天线在E-面和h -面具有良好的定向辐射图。稳定的辐射方向性。

3.3。与其他参考文献的天线比较

的比较在表取得1与其他报告的天线在尺寸、带宽和缺口特性方面的情况一样。几乎所有的天线都有有限的选择性或低天线增益。虽然这些天线提供可比的切口几何结构尺寸对我们提出了维瓦尔第天线,大部分的天线在文献中有报道复杂天线几何不稳定的辐射模式的弊端以及寄生存根和谐振器被放置在不规则表面辐射和地面模型设计。此外，值得注意的是，与所列出的同类产品相比，由于端射天线的方向性，本文提出的Vivaldi天线的增益明显更高。综上所述，该天线结构简单、具有缺口可调性、辐射图稳定性和对称蚀刻槽，因此在缺口波段选择性和缺口波段抑制水平方面优于其它天线。因此，可以得出结论，采用混合谐振器/环可以在保持较高辐射增益的同时，显著提高缺口带的选择性性能。

4.结论

提出并研究了一种适用于无线局域网通信系统的高选择性超宽频带阻天线。为了验证所提出的设计机制，研究了产生缺口极点的谐振特性，并对传统的高功率和CCLL负载Vivaldi天线进行了实现和测试。天线的第一缺口极是利用由天线馈电的金属短根获得的，而第二缺口极是通过在辐射贴片上蚀刻电容回路获得的。此外，还讨论了陷波带的选择性。通过将仿真结果与测量结果进行比较，两者的结果是一致的。基于以上结果，该天线具有良好的陷波频带选频性能，阻抗匹配性好，通带内辐射方向性稳定。由于这些独特的特性，所提出的天线适合于超宽频应用。

数据可用性

支持本研究结果的数据可从通讯作者处获得。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项工作部分得到了国家自然科学基金(U1637212、61605177)、国防预研基金(61404130402)、山西省“1331工程”重点学科建设基金、山西省高等学校科技创新计划等资助。

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