為降低窄帶信號對超寬帶的干擾,對具有帶阻特性的超寬帶天線進行了研究,提出了一種對WiMAX頻段具有帶阻特性的超寬帶單極子天線.該天線采用了聚四氟乙烯玻璃纖維柔性材料作為介質(zhì)基板,以銅作為輻射貼片和接地板材料,通過在天線的輻射貼片上刻蝕出開口諧振環(huán),使得天線在3.25-3.9 GHz頻段出現(xiàn)阻帶,有效抑制了WiMAX無線通信（工作頻段為3.3-3.7 GHz）窄帶信號對超寬帶的干擾.天線的整體尺寸為32 mm×40 mm×0.8 mm.仿真分析結(jié)果表明,天線帶寬為2.7-12.3 GHz,阻帶為3.25-3.9 GHz,實現(xiàn)了輻射方向圖H面的全向特性和E面穩(wěn)定性.通過建立人體組織模型,改變天線與人體的距離對天線工作特性進行對比分析,驗證了可穿戴天線的可行性. 

【文章來源】：南開大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2020,53(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

具有帶阻特性的超寬帶單極子天線的幾何結(jié)構(gòu)圖(單位,毫米)

圖1 具有帶阻特性的超寬帶單極子天線的幾何結(jié)構(gòu)圖(單位,毫米)設(shè)計了無矩形槽無切角、無矩形槽有切角、有矩形槽無切角和有矩形槽有切角的結(jié)構(gòu)并對這4種情況進行了仿真對比分析.采用了對輻射單元的切角和對接地板開槽相結(jié)合來增加天線的有效帶寬和降低回波損耗值,使得天線擁有良好的阻抗匹配.作為可穿戴天線需根據(jù)人體組織電磁參數(shù)建立人體組織模型[12],改變天線與人體之間的距離對天線的工作性能進行對比分析,驗證可穿戴天線的可行性.

利用全波電磁仿真軟件HFSS,對天線的無矩形槽無切角、無矩形槽有切角、有矩形槽無切角和有矩形槽有切角結(jié)構(gòu)(圖3(a-d))進行仿真比較.圖4為4種天線結(jié)構(gòu)全波仿真得到的回波損耗.(1)無矩形槽和切角時,天線的帶寬為2.9-8.2 GHz,不符合設(shè)計目的及要求,也不能覆蓋3.1-10.6 GHz的超寬帶范圍;(2)無矩形槽有切角時,天線的帶寬為2.9-8.8 GHz和10.3-12.3GHz,不能覆蓋3.1-10.6 GHz的超寬帶要求范圍;(3)有矩形槽無切角時,天線的帶寬為2.7-8 GHz和9.6-11.3 GHz,不能覆蓋3.1-10.6 GHz的超寬帶要求范圍;(4)同時有矩形槽和切角時,天線的帶寬為2.7-12.3 GHz,符合設(shè)計目的及要求,能完全覆蓋3.1-10.6 GHz的超寬帶范圍.可見,當天線同時有矩形槽和切角時,梯形的結(jié)構(gòu)可以改變貼片上電流的分布特性,可以提高低頻和中頻,對高頻有一定的影響.另外,在接地板開矩形槽可以改變接地板上電流的分布特性,可以提高天線的中高頻.合理地調(diào)節(jié)切角和矩形槽尺寸就可以實現(xiàn)天線的設(shè)計要求.在2.7-12.3GHz,天線回波損耗均在-10 d B以下,在3、5.2、8和9.6 GHz頻率附近甚至達到了-30、-42、-23和-30 d B,達到了良好的阻抗匹配.圖5(a-c)為超寬帶天線分別在3.5、6.5、9.5 GHz處的E面和H面的輻射方向圖,實線代表E面,虛線代表H面.通過圖5可以看出:在3.5、6.5、9.5 GHz處天線的E面輻射方向圖皆為類似"8"字型,H面輻射方向圖都呈現(xiàn)出全向的輻射特性,都具備良好的輻射增益.為了實現(xiàn)超寬帶天線的帶阻特性,在輻射單元刻蝕開口諧振環(huán)如圖6(a)所示.其電壓駐波比(VSWR)隨頻率的變化如圖6(b)所示.刻蝕了開口諧振環(huán)影響了輻射單元和接地板的電磁耦合以及電流的路徑,從而影響了天線Wi Max頻段內(nèi)的阻抗匹配.天線在除阻帶外的有效帶寬內(nèi)的電壓駐波比均小于2,達到良好的阻抗匹配.在3.25-3.9 GHz頻段內(nèi),天線的電壓駐波比均大于2,產(chǎn)生阻帶,從而避免了Wi Max頻段對UWB通信的干擾.對于天線的可穿戴性,圖7(a)為天線與人體組織模型,皮膚、脂肪和肌肉的厚度分別為1、3和20 mm,改變天線與人體之間的距離h.圖7(b)為不同距離h的情況下,天線的電壓駐波比VSWR與頻率的對應(yīng)關(guān)系圖.隨著天線與人體組織距離的增大,人體組織對天線的工作性能的影響越來越小.在h=8 mm時,該天線除了在阻帶頻段外,還存在7、9 GHz附近的VSWR大于2,使得天線不能實現(xiàn)超寬帶的特性.當h=9 mm時該天線除了阻帶頻段外,該天線的VSWR均小于2,使得天線達到良好的阻抗匹配.隨著h的增大即h=10 mm時,天線的VSWR更小,受人體影響更小.

【參考文獻】：
博士論文
[1]小型化可植入柔性射頻天線研究[D]. 邱義杰.電子科技大學(xué) 2015
[2]可控帶寬的陷波超寬帶天線研究[D]. 楊光.華南理工大學(xué) 2012
[3]人體中心網(wǎng)絡(luò)可穿戴天線及傳播特性研究[D]. 劉寧.北京郵電大學(xué) 2012



本文編號：3391506