周兵;邹传云
【摘 要】The operating frequency band of ultra-wideband ( UWB ) systems overlap with the frequency bands of existing narrowband systems such as world interoperability for microwave access(WiMAX) and wireless local area network (WLAN), which can cause systems to interfere with each other. In order to effectively suppress the interference of the existing narrowband system to the UWB communication system, on the basis of the monopole antenna, an UWB antenna having double notch is designed by slotting a rectangular radiating patch with an L-shaped branch structure. When the voltage standing wave ratio is less than 2,the antenna operating frequency range is 2. 5 ～ 16 GHz,and its impedance bandwidth is 13. 5 GHz. The biggest feature of the antenna is the dual trap characteristics in the frequency range of WiMAX ( 3. 4 ～3. 69 GHz ) and WLAN ( 5. 15 ～5. 825 GHz), which can reduce the interference of WiMAX and WLAN system. In addition, the antenna adopts coplanar waveguide feeding and has good coplanar characteristics. Th
e results of simulation and test show that the antenna has good trapping characteristics in the UWB frequency range,and can effectively suppress the interference of other existing narrowband systems. The antenna has obvious advantages in size and bandwidth for the traditional UWB antenna.%超宽带(UWB)系统的工作频段与现有的全球微波互联网接入(WiMAX)、无线局域网络(WLAN)系统等窄带系统的频段相互重叠,会导致系统相互干扰.为了有效抑制现有窄带系统对超宽带通信系统的干扰,在单极子天线的基础上,通过在带有L型分支结构的矩形辐射贴片上开槽的方法,设计了一款具有双陷波的超宽带天线.当电压驻波比小于2时,天线工作频率范围是2.5～16 GHz,其阻抗带宽为13.5 GHz.该天线最大的特点是在WiMAX(3.4～3.69 GHz)以及WLAN(5.15～5.825 GHz)的频率范围具有双陷波特性,能够降低WiMAX和WLAN对系统的干扰.同时,天线采用共面波导馈电,具有良好的共面特性.仿真和测试结果表明:该天线在超宽带频率范围内具有良好的陷波特性,能有效抑制现有其他窄带系统的干扰.与传统的超宽带天线相比,该天线在尺寸和带宽上具有很明显的优势. 【期刊名称】《自动化仪表》
【年(卷),期】2018(039)006
【总页数】4页(P35-38)
【关键词】超宽带;双陷波;共面波导;电压驻波比;全球微波互联网接入;无线局域网;天线
【作 者】周兵;邹传云
【作者单位】西南科技大学信息工程学院,四川 绵阳 621010;西南科技大学信息工程学院,四川 绵阳 621010
【正文语种】中 文
【中图分类】TH86;TP315
0 引言
目前，射频识别(radio frequency identification,RFID)技术被广泛应用于军事/物流跟踪以及新零售等众多领域。无源超高频无芯片RFID标签凭借其更远的传输距离、更大的数据容量、更快的阅读速度等优势，正逐步取代传统的光学二维码[1]。无源超高频无芯片射频识别标签以标签结构的差异，区分不同物体的信息。不同结构标签的反向散射信号不同。其 差异性在频域上表现为在特定频率点是否有谐振波峰或波谷出现[2]。若无芯片射频标签以50 MHz的频率分辨率在频域进行编码[3]，频率带宽将直接影响标签的编码容量。使用这种编码方式的高容量无芯片RFID标签，可用于编码带宽较宽的编码。因此，标签阅读器天线也应该具有较宽的频带。
现有的无线窄带通信系统，如全球微波互联网接入(world interoperability for microwave access,WiMAX)、无线局域网(wireless local area network,WLAN)系统，会对无芯片RFID标签阅读器产生干扰，导致读取的信息出现错误。因此，RFID标签阅读器天线必须具备滤波(陷波)功能，从而降低现有窄带系统的干扰。近年来，涌现了许多有陷波特性的超宽带(ultra-wideband,UWB)天线。其中大部分是在单极子天线的基础上进行改进的。其改进方法大致可以归为两类：第一类是在辐射贴片或者地板上开U型槽、C型槽[4-7]；第二类是在辐射单元或地板附近引入寄生单元[8-9]。这些天线存在尺寸大、结构复杂、制作成本高、难以集成等缺点。
本文在文献[9]的基础上进行改进，把天线反面的寄生U型线条改为在辐射单元上开U型槽，从而在保持天线整体尺寸不变的条件下实现了陷波功能。该设计省去了天线两面敷铜、过孔设计等复杂过程，使天线在保持良好陷波特性的同时，结构更紧凑、制作更简单。
1 天线结构和设计
本文的天线采用特征阻抗为50 Ω的共面波导馈电，其结构如图1所示。图1中，深为金属部分，浅为介质基板；W0为中心导带的宽度(即馈线宽度)，s为槽宽，W为介质板的宽度，h为介质板的厚度，εr为介质的相对介电常数。
图1 共面波导结构图Fig.1 Structure of coplanar waveguide
共面波导特征阻抗的计算公式可由式(1)～式(4)[10]计算。
(1)
(2)
(3)
(4)
式中：εr、εeff、h、W、W0、s分别为相对介电常数、有效介电常数、介质板厚度、介质
板宽度、馈线宽度以及馈线与地的间隙；K(k)、K′(k) 分别为第一类椭圆完全积分函数及其补充函数；k为自变量。
应用以上公式，可计算得出：对于特征阻抗为50 Ω的共面波导，当其馈线宽度W0=2.6 mm时，馈线与地的间隙s=0.3 mm。天线结构如图2所示。其中深部分为金属，浅部分为介质。
图2 天线结构示意图Fig.2 Structure of the antenna
介质基板为聚四氟乙烯材质，相对介电常数为4.4，损耗角正切tanδ=0.02，厚度为1.6 mm，通过在辐射贴片上开两个U型槽产生3.4～3.69 GHz及5.15～5.825 GHz陷波。根据电路理论分析，开槽(加载缝隙)相当于引入电感和电容的并联电路，原有电路因为并联谐振点而造成阻抗失配，形成大的反射系数[11]。一般槽线的长度可以由式(5)计算得出[12]。
(5)
式中：fnotch、c、L分别为陷波频率、自由空间的光速、槽线的长度。
通过式(5)可计算出当陷波中心频率为3.5/5.5 GHz时，对应的槽线长度大约为32.9/20.9 mm。这个结果只是一个大致的范围，最终槽线的尺寸通过仿真优化才能得出。最终优化后的天线参数如表1所示。
表1 天线参数Tab.1 Antenna parameters参数尺寸/mm Ws30.0 Ls26.0 W12.0 L8.0 Hs2.6 Vs1.9 T2.4 参数尺寸/mm s2.6 G0.3 W111.0 W28.5 L17.2 L24.7 st1.8
2 仿真结果及分析
天线在无槽、只开外槽、只开内槽、同时开2个槽这4种情况下，回波损耗(S11)及电压驻波比(voltage standing-wave ratio,VSWR)对比如图3、图4所示。。
图3 回波损耗对比图Fig.3 Comparison of return loss
图4 电压驻波比对比图Fig.4 Comparison of voltage standing-wave ratio
由图3、图4可知：无槽时，在3.4～3.69 GHz及5.15～5.825 GHz的频段范围内，S11和VS
WR均比较平稳，天线没有陷波特性，且在2.5～16 GHz的频率范围内，S11小于-10 dB，VSWR小于2；只开外面的U型槽时，在3.2～3.8 GHz 频段范围内，S11向上凸起大于-10 dB，VSWR也大于2，天线具有陷波特性，而在5.15～5.825 GHz频率范围内，天线没有陷波特性；只开里面的槽时，在 4.98～6.1 GHz频率范围内，S11最大值接近0 dB，VSWR比较大，可见天线在此频段具有陷波特性，而在5.15～5.825 GHz天线没有陷波特性；同时开2个槽时，天线在3.2～3.8 GHz及4.98～6.1 GHz的频率范围内，S11大于-10 dB，VSWR大于2，天线具陷波特性，在其他频率范围内，S11的值都要小于-10 dB。由此可见，通过调整U型尺寸，很容易实现不同频段的陷波特性。
天线增益仿真如图5所示。
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