一种基于频率选择表面的高增益超宽带单陷波天线

A High-Gain Ultra-Wideband Single-Notch Antenna Based on Frequency Selective Surfaces

摘要

为增强一种具有WLAN抑制特性的超宽带陷波天线的增益， 设计了一种以FR4为介质基板的单层频率选择表面。所设计的频率选择表面由印刷在基板上的5×5圆形周期金属单元排列而成， 每个周期单元包含两个半径不同的圆形环， 整体尺寸为75 mm×75 mm； 通过优化圆形环的结构和尺寸可以得到所需的传输特性， 与天线集成后可以在不影响陷波性能的前提下提高天线增益。仿真结果表明， 天线的工作频段为2.5~11 GHz， 陷波频段为5.08~6.1 GHz。加载频率选择表面后， 实测的S₁₁曲线与仿真结果吻合良好， 陷波性能未受影响， 主要工作频段内的平均增益提高了3.96 dBi， 呈现较好的定向辐射效果， 验证了所设计的频率选择表面的有效性。

Abstract

To enhance the gain of an ultra-wideband notch antenna with WLAN inhibition characteristics，a single-layer frequency-selective surface（FSS）was designed using FR4 as the dielectric substrate. The FSS was composed of a 5×5 array of printed circular periodic metal units on the substrate and each unit contained two circular rings of different radii. The overall size was 75 mm×75 mm. By optimizing the structure and dimensions of the circular rings， the desired transmission properties were achieved. When integrating with the antenna， the gain was improved without affecting the notch performance. Simulation results show that the antenna operates in the frequency band of 2.5 GHz to 11 GHz， with a notched band from 5.08 GHz to 6.1 GHz. After integrating FSS， The measured S11 curve matches well with the simulation results， indicating that the notch performance remains unaffected. The average gain in the main operating band increases by 3.96 dBi， showing good directional radiation and suggesting the effec⁃tiveness of the designed FSS.

Graphical abstract

关键词

超宽带天线 / WLAN陷波 / 频率选择表面 / 增益提升

Key words

ultra-wideband / WLAN band-notch / frequency selective surfaces / gain enhancement

0 引　言

超宽带天线在短距离和高速通信系统中应用广泛^［1］， 根据美国联邦通信委员会， 超宽带许可频段被分配为3.1~10.6 GHz， 但该频段会受到其它窄带信号的干扰， 如WiMAX 3.5 GHz （3.3~3.8 GHz）、 WLAN 5.8 GHz （5.15~5.85 GHz）等， 为避免频段重叠对通信造成的影响， 设计具有陷波特性的超宽带天线具有重要意义。目前常见方法包括在辐射贴片、 馈线或接地板上引入缝隙槽或缺陷地结构， 添加寄生结构如分环谐振器等^［2‐3］。

超宽带贴片天线具有体积小、 剖面低、 功耗低等优点， 但这类天线的增益低、 方向性较差。在一些应用场景， 例如医学成像与隔墙探测中， 都要求天线具有高增益和高方向性。目前提高天线增益的方法常有设置金属反射板、 添加寄生贴片、 电磁带隙结构， 以及使用频率选择表面（Frequency Selective Surface， FSS）等^［4‐6］。其中， FSS是一种金属或缝隙的周期结构， 在一定的频带内表现出带通或带阻特性， 其传输特性主要取决于周期单元的尺寸和几何形状^［7］。Kundu等^［8］设计了由两种不同的FSS组成的双层结构， 将天线增益提高了约4.2 dBi； Kumar等^［9］与Parchin等^［10］分别设计了一种以FR4为衬底的单层表面， 前者将天线的增益提高了4.0 dBi， 最大达到7.84 dBi， 后者提高了6.5 dBi， 最高达到9.2 dBi； Al-Gburi等^［11］设计了一种尺寸更小的单层FSS， 将天线的增益提高了约6.2 dBi； Hasan等^［12］为一种多端口宽带天线设计了以罗杰斯RT5880为衬底的单层FSS， 将增益提升了2.9 dBi， 同时还为多端口天线提供了一定的隔离度。以上设计均适用于一般的超宽带天线， 但对于具有窄带陷波特性的超宽带天线却并未涉及。由于加载FSS表面会对天线阻抗匹配造成影响从而干扰其陷波性能， 因此， 设计一种FSS以针对性地提高陷波天线的增益具有一定的研究意义。

本文设计了一种适用于具备5.8 GHz WLAN抑制特性的超宽带单陷波天线的FSS， 可以有效提高天线工作频段内的增益， 并且对天线的陷波特性没有影响。

1 天线结构设计

1.1 超宽带陷波天线结构设计

所设计的结构由微带天线与FSS两部分组成。天线结构如图 1 所示， 辐射贴片与接地板分别印刷在基板两侧， 优化后的天线整体尺寸30 mm×40 mm， 其它参数见表 1。

基板采用介电常数为4.4， 厚度为1.6 mm的FR4 材料。辐射贴片由矩形与半圆形组合而成， 并通过切角操作将其中的矩形部分改为梯形， 与阶梯形馈线相连后可以共同改善天线的阻抗匹配。对天线接地板的两端进行切角， 形成一对W_{\mathrm{8}}\times L_{\mathrm{7}}的三角形开槽， 并添加一个直径为W_{\mathrm{7}}的半圆槽， 拓展天线的带宽。

为实现对WLAN信号的抑制， 选择在辐射贴片与接地板上分别刻蚀半波长的C型结构槽， 形成谐振结构， 如图 2 所示。它的尺寸应满足^［13］

\mathrm{2}{A}_{\mathrm{1}}+\mathrm{2}{A}_{\mathrm{2}}-g_{\mathrm{1}}-\mathrm{4}{d}_{\mathrm{1}}\approx \frac{c}{\mathrm{2}{f}_n\sqrt[]{{\epsilon }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}}},（1）

\mathrm{2}{B}_{\mathrm{1}}+\mathrm{2}{B}_{\mathrm{2}}-g_{\mathrm{2}}-\mathrm{4}{d}_{\mathrm{2}}\approx \frac{c}{\mathrm{2}{f}_n\sqrt[]{{\epsilon }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}}},（2）

式中： c为光速； f_n为陷波中心频率； {\epsilon }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}为相对介电常数。当C型槽尺寸满足上式时， 天线在f_n处阻抗失配， 反射系数明显增大， 形成陷波。经过仿真优化后的尺寸参数见表 1。

1.2 FSS单元设计

FSS的周期单元结构和ANSYS HFSS仿真模型如图 3（a） 所示， 每个单元的尺寸为15 mm×15 mm， 由两条宽度分别为F_{\mathrm{1}}与F_{\mathrm{2}}的金属圆环以间隔F_{\mathrm{3}}进行嵌套而成。

将该单元以周期阵列的形式进行排列， 组合为5×5的FSS， 并以高度为H的间隔平行加载于天线之下， 如图 4 所示， 具体参数见表 2。

2 天线性能分析

使用HFSS将FSS单元仿真模型的左右边界分别设置为主从边界条件， 上下边界设置为Floquet端口， 得到的S参数仿真结果如图 5 所示。

由图 5 可知， 该表面在5.08~6.61 GHz频段内（含陷波段）， 其传输系数S₂₁>-10 dB， 并且在其中5.20~5.62 GHz的一段范围内， 反射系数S₁₁<-10 dB， 因此在上述频段， 该表面会表现出带通滤波响应特性， 不会对信号进行反射。相反， 在除上述频段以外的3.80~4.94 GHz与6.68~9.55 GHz两个频段内， 该表面的传输系数S₂₁<-10 dB， 同时反射系数S₁₁始终大于-10 dB。因此， 在正常入射情况下， 该表面会在上述两个频段内表现出带阻滤波响应特性， 对天线信号产生反射。

另外， 由FSS所产生的天线反射波应与天线的辐射波同相， 目的是在空间中产生相干叠加以实现较好的增益提升效果^［14］。该频率反射表面的反射相位曲线如图 6 所示。

由图 6 可知， 该表面的反射相位在除陷波段以外均保持线性减小。这一特性一方面表明该表面的滤波响应特性在天线工作频段内不会发生显著变化， 另一方面也表明本文所提出的FSS易于对反射波的相位进行调控， 使得反射波与天线辐射波产生相干叠加， 在提升增益的同时增强天线辐射的方向性。

为达到较好的效果， 需要调整与优化FSS与天线之间的距离， 它对天线的阻抗匹配与增益均有影响。在自由空间中， 该距离H与FSS的反射相位相关， 满足以下关系式^［15］

{\phi }_{\mathrm{F}\mathrm{S}\mathrm{S}}-\mathrm{2}\beta H=\mathrm{2}n\mathrm{\pi }， (n=\dots ,-\mathrm{1,0},\mathrm{1},\dots ),（3）

式中： {\phi }_{\mathrm{F}\mathrm{S}\mathrm{S}}为FSS的反射相位， H为FSS与天线之间的距离， \beta 为自由空间的传播常数。当H=\lambda /\mathrm{2} 时， 等式（3）两侧相等。讨论不同H对天线S_{\mathrm{11}}与增益的影响， 结果如图 7 所示。

其中， \lambda/2是频率反射表面反射相位为零的频点， 即5、 5.5与6.7 GHz所对应的半波长， 计算的H值分别为30、 27.2与22.3 mm， 但该距离仍需根据实际情况进行调整与优化。

由图 7（a） 可知， 未加载FSS表面时， 天线在2.5~11 GHz内S₁₁<-10 dB， 其工作频段覆盖超宽带频段， 其中陷波段为5.1~6.1 GHz， 包含WLAN频段在内， 符合设计要求。

当加载FSS表面时， 距离H会对天线阻抗匹配产生影响。当H为14 mm时， S₁₁在3.1~4.5 GHz内大于-10 dB， 天线与FSS会因较近的距离而发生强耦合， 导致阻抗匹配恶化， 不符合超带宽通信要求。随着距离增加， 天线低频处的阻抗匹配下降到-10 dB以下， 但陷波频段的带宽发生变化。当距离为30 mm与18 mm时， 陷波段的截止频点分别从6.1 GHz拓展至6.5 GHz与6.4 GHz， 浪费了带宽资源； 当距离为22 mm与26 mm时， 虽然陷波段的截止频点分别向左缩窄至6 GHz与5.9 GHz， 但仍包含WLAN抑制频段在内。由上可知， 距离对天线S₁₁曲线的影响主要表现在天线低频处的阻抗匹配与陷波频段的宽度变化。为保证天线性能， 可选择22 mm或26 mm作为加载距离， 并且该值与式（3）中H值计算结果相近， 为确定最优的距离， 讨论其对增益的影响。

由图 7（b） 可知， 增益提升的效果主要集中在3~5 GHz与5.7~9.6 GHz两个频段内， 且会随着距离的增大而减弱。当H=14 mm时效果最好； 当H=18 mm与22 mm时效果有所下降， 且两者提升的幅度相似； 当H=26 mm与30 mm时效果最差。并且在上述距离中， 除H=14 mm以外， 天线的增益均在陷波段内下降到与原天线相同的程度， 避免了对陷波性能的损害。通过比较以上两种仿真结果， 最终选择22 mm作为加载距离， 并且为突出本文所设计的FSS的特点， 在22 mm的基础上对比了天线分别加载一般金属表面与加载FSS时对增益的不同影响， 结果如图 8 所示。

当金属表面用作反射器时， 同样可以对天线辐射进行反射。由图 8 可知， 金属表面在5.4 GHz频点处将0.96 dBi的微小增益提高到了3.3 dBi， 对陷波性能产生了不利影响； 而加载本文所设计的FSS时， 在陷波段内增益曲线的下降趋势与原天线基本保持一致， 并在5.45 GHz处与原天线一同达到最低点， 因此可以在提升天线工作频段内增益的同时， 保证天线陷波性能不受影响， 符合设计目标。

3 天线实测结果

根据设计制作的天线实物如图 9 所示。

在工作宽带范围内， 天线的S₁₁、 增益曲线以及在4.5、 6.5与9 GHz频点处的方向图的实测与仿真的对比结果分别如图 10~图 12 所示。

由图可知：

1） 加载FSS后， 天线的实测S_{\mathrm{11}}曲线在2.7~5.0 GHz与5.9~10.6 GHz的频段内均小于-10 dB， 阻抗匹配良好； 在5.0~5.9 GHz内S₁₁大于-10 dB， 陷波中心频率为5.5 GHz， 陷波频段覆盖WLAN信号， 满足超宽带单陷波天线的工作要求。

2） 天线实测的增益提升效果在3.0~5.0 GHz与5.7~9.6 GHz两个频段内较为明显， 与仿真结果基本一致。若将陷波频段计算在内， 实测的平均增益从3.65 dBi提高到6.36 dBi， 提高了约2.71 dBi； 若只计算工作频段， 实测的平均增益则从3.39 dBi提高到7.35 dBi， 提高了约3.96 dBi。同时， 实测的增益曲线在5.45 GHz频点下降到了最低点0.92 dBi， 表明该FSS可以在不影响陷波性能的前提下增强天线工作频段内的增益。

3） 未加载FSS时， 在各个频点上， 天线方向图的H面具有全向的辐射特性， E面则呈“8”字； 加载FSS后， 由于其在非陷波频段会对天线辐射的信号产生反射， 因此天线方向图的H面与E面呈现出定向的辐射特性。实测结果在低频与中频处与仿真结果吻合较好， 但在高频处存在较大偏差。

4） 由于本文所选用的低成本FR4基板的高频性能不佳， 并且在实测过程中， 存在测试环境的不理想与天线加工误差的问题， 使天线实际测量的阻抗匹配和辐射特性与仿真结果存在偏差。例如， 天线的陷波频段的相对带宽从19.52%变为20.18%， 但与仿真结果差异较小。

而随着频率增加， 波长变短， 由实物加工的微小误差所带来的影响会在高频处变得显著， 这导致实测的方向图与仿真结果存在较大偏差。针对以上问题， 可以通过选用材料参数较好的高频基板， 或选用工艺与焊接质量良好的实物， 并在条件相对理想的天线暗室内对方向图进行测量从而加以改进。

4 对比分析

表 3 为本文所提出的FSS与相似文献的对比。由表可知， 与文献［8］方法相比， 本文设计只使用了单层表面就达到了相近的提升效果； 其次与文献［9］， 文献［12］方法相比， 在提升效果相近的情况下， 本文在天线带宽和FSS尺寸方面存在优势， 更宽的相对带宽使其更加适用于超宽带通信系统； 与文献［10］与文献［11］方法进行比较， 本文的FSS针对WLAN波段进行了设计和优化， 经过仿真与实测验证， 可在不影响陷波特性的前提下， 提高天线工作带宽内的增益。因此， 在同为高增益的情况下， 本设计可在需要陷波特性的应用场景， 如室内定位、 交通安全监测等中更好地满足需求。

5 结　论

本文设计了一种基于FSS的高增益超宽带WLAN 陷波天线。通过在天线辐射贴片与接地面分别刻蚀半波长的C形槽， 在优化阻抗匹配的同时实现了对5.08~6.10 GHz频段的陷波， 可对WLAN信号进行抑制。为了提升其增益， 同时设计了一种5×5阵列的单层FSS， 以22 mm的空气层为间隔加载于上述天线。实测结果与仿真基本一致， 该FSS可以在不影响陷波性能的前提下， 将天线工作频段内的平均增益从3.39 dBi提高到了7.35 dBi， 最高在3.12 GHz频点处从2.82 dBi提高到了8.61 dBi， 有效增强了工作频段内的增益。从方向图可知， 天线在中低频点处具有定向辐射的特性， 满足一些特定场景的工作需求。

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基金资助

山西省基础研究计划资助项目(202303021212002)