一種可控三陷波超寬帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)與研究

董 健 胡國(guó)強(qiáng) 徐 曦 施榮華

1 引言

超寬帶（UltraWide Band, UWB）技術(shù)自上世紀(jì)的中期出現(xiàn)以來(lái)，從最初的軍事用途發(fā)展為民用經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)但具有突破性的過(guò)程。自2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)通過(guò)了允許將超寬帶技術(shù)應(yīng)用于民用通信的規(guī)范，并劃分了 3.1～10.6 GHz的工作頻帶，超寬帶技術(shù)得以迅速發(fā)展[1]。相較于一般的窄帶系統(tǒng)，超寬帶技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，如超寬的信號(hào)傳輸帶寬，較低的發(fā)射功耗以及高數(shù)據(jù)傳輸速率等[2]，因此具有非常廣闊的發(fā)展前景。由于超寬帶系統(tǒng)工作頻帶極寬，與其他窄帶系統(tǒng)往往存在頻譜重疊，如 3.3～3.6 GHz的 無(wú) 線(xiàn) 城 域 網(wǎng) （Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMax）頻段，5.1-5.9 GHz的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks, WLAN）頻段和7.25～7.75 GHz的X頻段衛(wèi)星下行信號(hào)等。為了降低不同通信系統(tǒng)間的相互干擾，具有頻帶阻隔特性的陷波超寬帶天線(xiàn)[3,4]設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn)。

陷波超寬帶天線(xiàn)最初由美國(guó) Schantz等人[5]于2003年提出，可以通過(guò)引入寄生單元[6,7]、分形結(jié)構(gòu)[8]、調(diào)諧枝節(jié)[9,10]、開(kāi)槽[11,12]等方式實(shí)現(xiàn)。這些方式中，開(kāi)槽結(jié)構(gòu)由于其實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，且對(duì)工作頻帶內(nèi)的阻抗匹配影響較小，因而獲得廣泛應(yīng)用。開(kāi)槽形狀各異，如直線(xiàn)形槽、V形槽、U形槽等，但它們的共同原理都是改變天線(xiàn)表面電流的分布，從而達(dá)到頻率阻隔的效果。例如文獻(xiàn)[11]中通過(guò)在輻射貼片上開(kāi)C形槽，同時(shí)在接地板上開(kāi)細(xì)長(zhǎng)縫隙以形成陷波結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的帶寬比較寬，陷波特性良好。文獻(xiàn)[12]提出了一種在矩形天線(xiàn)一側(cè)開(kāi)一條窄縫，并在輻射貼片中心引入一倒U 形槽的微帶線(xiàn)饋電超寬帶天線(xiàn)，該天線(xiàn)在5～5.9 GHz 實(shí)現(xiàn)了陷波。文獻(xiàn)[13]提出了一種可重構(gòu)的超寬帶天線(xiàn)，該天線(xiàn)在微帶饋電線(xiàn)和輻射貼片開(kāi)槽，同時(shí)輻射貼片上的回形槽由兩個(gè)二極管連通并通過(guò)控制兩個(gè)二極管的狀態(tài)使天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)單陷波與雙陷波的切換。這些設(shè)計(jì)方案中，有的不能同時(shí)屏蔽多個(gè)窄帶系統(tǒng)的影響，有的線(xiàn)性槽可調(diào)節(jié)參數(shù)比較少，有的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，這些因素使得陷波中心頻率的調(diào)整控制方式不夠靈活。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種三陷波超寬帶天線(xiàn)，在輻射貼片和接地板上分別開(kāi)H和L形槽，同時(shí)在天線(xiàn)背面添加環(huán)形寄生單元實(shí)現(xiàn)三陷波特性。進(jìn)一步地，通過(guò)在寄生單元處增加開(kāi)關(guān)設(shè)置實(shí)現(xiàn)雙/三陷波的功能切換，并增強(qiáng)陷波性能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明該三陷波超寬帶天線(xiàn)具有良好的陷波功能和超寬帶工作特性。

2 三陷波超寬帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為雙陷波超寬帶天線(xiàn)[14]的結(jié)構(gòu)，通過(guò)分別在圓形輻射貼片和接地板上開(kāi)一個(gè)帶圓弧邊的H形槽和兩條寬度為0.2 mm的L形槽實(shí)現(xiàn)雙陷波特性，避免來(lái)自WiMax及WLAN通信系統(tǒng)信號(hào)的干擾。RH為圓弧的半徑大小，LH0為內(nèi)外圓弧的半徑之差，LH1為連接兩弧槽口的寬度，α為弧形與水平線(xiàn)的夾角。仿真優(yōu)化后確定的雙陷波超寬帶天線(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。相對(duì)于線(xiàn)形槽，這種開(kāi)槽結(jié)構(gòu)可以通過(guò)槽參數(shù)組合的形式更有效地控制陷波中心頻率。L形槽的長(zhǎng)度可以通過(guò)半波長(zhǎng)諧振原理得到，當(dāng)槽長(zhǎng)度設(shè)置為陷波中心頻率對(duì)應(yīng)波導(dǎo)波長(zhǎng)一半時(shí)，相當(dāng)于在對(duì)應(yīng)中心頻率點(diǎn)引入諧振器，天線(xiàn)工作于此頻率點(diǎn)附近時(shí)，表面電流將會(huì)集中在槽口周?chē)斐勺杩故涠纬上莶āＯ莶ㄖ行念l率與槽長(zhǎng)度的關(guān)系

式中，c為光速， fn為陷波的中心頻率，在WLAN頻段中設(shè)為5.6 GHz, L為兩個(gè)L形槽長(zhǎng)度l的和。εe為有效介電常數(shù)，設(shè)εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，兩者之間關(guān)系為

代入?yún)?shù)，計(jì)算得到L為12.75 mm。

圖1 雙陷波超寬帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

該天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了3.3～3.6 GHz和5.1～5.9 GHz兩個(gè)頻帶內(nèi)的陷波特性，能夠避免來(lái)自 WiMax和WLAN窄帶系統(tǒng)的信號(hào)干擾。為屏蔽來(lái)自 X頻段7.25-7.75 GHz衛(wèi)星下行信號(hào)的干擾，在該雙陷波超寬帶天線(xiàn)的基礎(chǔ)上，在基板背面增加一個(gè)環(huán)形的寄生單元（如圖 2所示），從而增加一個(gè)阻帶使天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)三陷波功能。將環(huán)形單元的寬度W2設(shè)定為1 mm，陷波的中心頻率設(shè)定為 7.4 GHz，根據(jù)半波長(zhǎng)諧振原理，環(huán)長(zhǎng)Rr通過(guò)式（1）計(jì)算得Rr=9.65 mm。在三陷波天線(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行陷波的可控性設(shè)計(jì)，目的是將天線(xiàn)高頻部分的陷波功能設(shè)計(jì)為具有開(kāi)關(guān)特性。為此，采用添加環(huán)形寄生單元的開(kāi)關(guān)作為控制部件，通過(guò)改變環(huán)形寄生單元長(zhǎng)度來(lái)控制第3個(gè)陷波的中心頻率。當(dāng)該陷波中心頻率處于原雙陷波超寬帶天線(xiàn)兩個(gè)陷波中心頻率中的任何一個(gè)附近時(shí)，陷波效果因?yàn)榀B加而得到增加。當(dāng)該陷波中心頻率不在3.1～10.6 GHz范圍時(shí)，仍然為雙陷波超寬帶天線(xiàn)。將寄生單元長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為開(kāi)關(guān)形式，能夠方便地實(shí)現(xiàn)雙陷波與三陷波之間的切換，從而達(dá)到可控性設(shè)計(jì)的目的。

3 陷波特性及可控性分析

圖3為三陷波超寬帶天線(xiàn)的回波損耗曲線(xiàn)與超寬帶天線(xiàn)回波損耗曲線(xiàn)的對(duì)比圖。從圖3中可以看出三陷波超寬帶天線(xiàn)在頻率為3.6 GHz, 5.6 GHz和7.4 GHz附近回波損耗曲線(xiàn)出現(xiàn)峰值且滿(mǎn)足 S11＞-10 dB，此時(shí)三陷波超寬帶天線(xiàn)在以上3個(gè)中心頻率點(diǎn)附近形成3個(gè)阻帶，這3個(gè)阻帶能有效避免來(lái)自WiMax, WLAN和X頻段衛(wèi)星系統(tǒng)的信號(hào)干擾。

圖2中，在天線(xiàn)背面用于產(chǎn)生高頻陷波的寄生單元處，增加一個(gè)開(kāi)關(guān) 1和開(kāi)關(guān) 2。開(kāi)關(guān)的環(huán)長(zhǎng)根據(jù)半波長(zhǎng)諧振原理計(jì)算，設(shè)添加開(kāi)關(guān)后的寄生環(huán)總長(zhǎng)度為R, f3為第3個(gè)陷波的中心頻率，由式（3）：

表1 雙陷波超寬帶天線(xiàn)參數(shù)尺寸（mm）

圖2 可控三陷波超寬帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

計(jì)算開(kāi)關(guān)長(zhǎng)度R。當(dāng)R取值不同時(shí)得到不同的f3，從而實(shí)現(xiàn)第3個(gè)陷波中心頻率的改變。這里設(shè)置開(kāi)關(guān)1長(zhǎng)度為3.1 mm，開(kāi)關(guān)2長(zhǎng)度為10.75 mm。

當(dāng)開(kāi)關(guān) 1，開(kāi)關(guān) 2均斷開(kāi)時(shí)，天線(xiàn)和未改造的三陷波超寬帶天線(xiàn)沒(méi)有區(qū)別，實(shí)現(xiàn)三陷波的功能。當(dāng)開(kāi)關(guān)1閉合時(shí)，環(huán)形寄生單元的長(zhǎng)度由原來(lái)的9.65 mm增加為12.75 mm，陷波中心頻率變?yōu)?.6 GHz，天線(xiàn)在高頻處陷波功能消失。同理，當(dāng)開(kāi)關(guān)2閉合時(shí)，環(huán)形寄生單元的長(zhǎng)度由原來(lái)的9.65 mm增加為20.4 mm，陷波中心頻率變?yōu)?.5 GHz，天線(xiàn)在高頻處陷波功能消失。當(dāng)開(kāi)關(guān) 1，開(kāi)關(guān) 2均閉合時(shí)，環(huán)形的總長(zhǎng)度為23.5 mm，產(chǎn)生的陷波中心頻率為3 GHz，該頻率在超寬帶工作頻段之外。開(kāi)關(guān)狀態(tài)與天線(xiàn)阻帶范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

對(duì)三陷波超寬帶天線(xiàn)進(jìn)行開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)不僅能實(shí)現(xiàn)高頻段陷波功能的自由控制，而且可增強(qiáng)原來(lái)的雙陷波功能。圖 4為三陷波天線(xiàn)加入了開(kāi)關(guān)設(shè)置且開(kāi)關(guān)1閉合后的雙陷波特性與原雙陷波超寬帶天線(xiàn)的陷波功能對(duì)比。從圖中可以看到，加入開(kāi)關(guān)設(shè)置后，天線(xiàn)在中頻的陷波功能更強(qiáng)，阻帶的部分曲線(xiàn)更為陡峭，峰值較原雙陷波超寬帶天線(xiàn)更高，這說(shuō)明天線(xiàn)的頻率阻斷效果更為明顯。造成該現(xiàn)象的原因是開(kāi)關(guān)1閉合，環(huán)形長(zhǎng)度改變引起陷波頻段的改變，兩個(gè)同一阻帶的陷波結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疊加作用，這樣天線(xiàn)在中頻（5.1～5.9 GHz）的陷波功能加強(qiáng)。同理，開(kāi)關(guān)2通過(guò)改變環(huán)形寄生單元的長(zhǎng)度，使低頻（3.3～3.6 GHz）陷波功能得到增強(qiáng)。總之，加入開(kāi)關(guān)設(shè)置后，不僅實(shí)現(xiàn)了陷波功能的實(shí)時(shí)控制性，同時(shí)在該天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)雙陷波功能時(shí)，比原來(lái)的陷波性能有所提高。

表2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)與天線(xiàn)阻帶范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)制作天線(xiàn)實(shí)物。天線(xiàn)印制在介電常數(shù)為4.4厚度為1.6 mm的FR-4板上，這里開(kāi)關(guān)采取等效結(jié)構(gòu)，直接使用不同長(zhǎng)度的環(huán)形寄生單元實(shí)現(xiàn)表2中的不同工作狀態(tài)。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線(xiàn)實(shí)物測(cè)試，圖5為三陷波超寬帶天線(xiàn)回波損耗的仿真與實(shí)際測(cè)量結(jié)果。實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)基本吻合，實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果之間的細(xì)微差別可能由制造精度或天線(xiàn)轉(zhuǎn)接頭的損耗引起。從圖5可以看出，在3.1～10.6 GHz頻帶范圍內(nèi)天線(xiàn)分別在3.6 GHz, 5.6 GHz和7.4 GHz頻點(diǎn)附近產(chǎn)生陷波從而形成3個(gè)阻帶。圖6為三陷波超寬帶天線(xiàn)的實(shí)測(cè)增益圖，天線(xiàn)在通帶內(nèi)增益保持在3～5 dBi上下，而在阻帶內(nèi)增益則下降至-4 dBi左右。這說(shuō)明天線(xiàn)在通帶內(nèi)能夠正常工作，而在阻帶內(nèi)由于增益不足無(wú)法正常工作。

圖3 三陷波超寬帶天線(xiàn)的回波損耗

圖4 開(kāi)關(guān)1閉合時(shí)可控三陷波超寬帶天線(xiàn) 與原雙陷波超寬帶天線(xiàn)的陷波功能對(duì)比

圖5 三陷波超寬帶天線(xiàn) 的實(shí)測(cè)結(jié)果

圖6 三陷波超寬帶天線(xiàn)的增益

圖7 為該天線(xiàn)分別在3.2 GHz, 5 GHz, 6.8 GHz以及8.5 GHz頻率點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，這4個(gè)頻率點(diǎn)分別處于2.9～3.3 GHz, 3.8～5.1 GHz, 6～7.2 GHz, 7.8～10.6 GHz 4個(gè)通帶內(nèi)。從圖中可知，天線(xiàn) H 面（xz-平面）輻射方向圖都為橢圓形，E面（yz-平面）輻射方向圖都呈“8”字形。實(shí)測(cè)輻射方向圖與仿真方向圖基本吻合，這些方向圖說(shuō)明該天線(xiàn)在4個(gè)通帶內(nèi)輻射特性良好，滿(mǎn)足超寬帶通信的要求。

圖7 三陷波超寬帶天線(xiàn)的輻射方向圖

5 結(jié)論

本文提出一種具有可控三陷波特性的超寬帶天線(xiàn)，該天線(xiàn)通過(guò)分別在圓形輻射貼片和接地板上開(kāi)圓弧狀H形槽及兩個(gè)L形槽，同時(shí)在基板背面添加環(huán)形寄生單元來(lái)實(shí)現(xiàn)可控三陷波特性。對(duì)天線(xiàn)環(huán)形寄生單元進(jìn)行了開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，通過(guò)研究表明，開(kāi)關(guān)的使用能夠?qū)⑻炀€(xiàn)進(jìn)行雙/三陷波的切換，當(dāng)天線(xiàn)工作在雙陷波狀態(tài)時(shí)陷波功能得到了增強(qiáng)。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明該天線(xiàn)具備良好的陷波特性和輻射特性。

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