具有可重構特性的陷波超寬帶天線設計與研究*

南敬昌, 王加冕, 趙久陽, 胡汗青, 楊 潔

(遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院,遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

自2002年,美國聯邦通信委員會(FCC)將3.1～10.6 GHz的超寬帶頻段范圍劃歸到民用頻段后[1～3],超寬帶技術便引起國內外學者的廣泛關注。現有的這些窄帶頻段會在超寬帶系統的不同頻段內對超寬帶系統的工作產生干擾。為濾除這些頻段的干擾,研究人員采用天饋系統,即在超寬帶天線處連接濾波器,產生的總響應能在需要抑制的頻段處達到陷波特性,但該方法由于制作成本高且設計復雜漸漸地成為歷史。后來,人們發現在超寬帶天線上采用添加寄生單元[4～6]、引入匹配枝節[7～9]、開槽[10～14]等方法也能實現陷波特性。加入匹配枝節,由于枝節長度的限制會導致陷波頻率不能太低；而引入寄生單元,又會增大天線輻射面的尺寸；但開槽不僅不會增加天線輻射面的尺寸,結構相對簡單,對頻帶內的阻抗匹配影響也比較小,所以,現在經常使用的方法就是在輻射貼片、饋線、或者接地板上開槽。文獻[15]提出在天線上開圓弧型H槽,這種結構不僅能夠很好地抑制干擾頻段,同時陷波的中心頻率也比較容易控制,但其結構復雜,尺寸較大。文獻[16]和文獻[17]分別通過在貼片上開U形槽、C型槽、L型槽、E型槽得到雙陷波特性,但這些形狀的開槽方式不能很好地控制陷波的中心頻率且尺寸較大。基于互補開口諧振環(CSRR)的超寬帶天線[18]雖然能得到雙陷波特性,但它的陷波帶寬不能將干擾頻段覆蓋完全。

本文基于文獻[19]的設計思路,設計了具有可重構的雙陷波特性的超寬帶天線。采用在輻射貼片上刻蝕開口圓環,在饋線上開倒U形槽的方法,分別在3.2～4.0 GHz和5.0～6.0 GHz頻帶范圍內產生陷波。使用電磁仿真軟件HFSS 13.0對本文設計的天線進行了建模仿真及優化,經對仿真結果進一步的分析,表明天線性能優良,可以應用在實際的超寬帶系統中。

1 雙陷波超寬帶天線的基本原理

本文設計的天線結構如圖1所示,天線的輻射單元為一個圓形金屬貼片,介質基板是相對介電常數為4.4,厚度為1.5 mm的FR4板,由一個半徑為R的圓形輻射金屬貼片和50 Ω的微帶線饋電,貼片上刻蝕一個寬度為d3,開口角度為θ3的開口圓環,圓環的內半徑為r2。寬度為W1的饋線上開了一個總長為L2的U形縫隙,縫隙的寬度為s。接地板的寬度為t,長度為W,另外在接地板上開一個U形口,使得天線的阻抗特性變得更加平滑,同時也在一定程度上使回波損耗變大,具有良好的寬帶匹配特性。

圖1 天線結構

開口圓環及倒U形槽的引入相當于在天線中引入一個半波長諧振器,縫隙的長度選取為陷波中心頻率處波長的1/2,此時天線的等效電路相當于產生了諧振,使得大量電流集中到槽的附近,天線會因為阻抗失配而不能輻射能量[19]。縫隙的總長度可以用式(1)近似計算,即

(1)

式中c為光速3×108 m/s，fnotch為陷波處的中心頻率，εr為介質基板的相對介電常數。當S11<-10 dB,電壓駐波比≤2時,認為天線的匹配較好。經過使用電磁仿真軟件HFSS對開槽的各個參數進行優化,最終得到以下的最佳參數值,如表1所示。

表1 超寬帶天線參數尺寸 mm

2 天線仿真結果與分析

2.1 接地板的U形結構參數

通過改變接地板的U形結構參數a(U形深度)和b(U形寬度),研究這些參數對天線的影響。由圖2(a)可知當a=3 mm時得到的反射系數在超寬帶頻段內遠離-10 dB的程度較好；同理,當b=2.89 mm時得到的結果比較好。

圖2 不同深度和不同寬度下的反射系數

2.2 不同情況下的反射系數

圖3是在其他參數不變,僅對接地板做出不同形狀改進下的反射系數仿真圖。由圖3可知,未改進的矩形接地板和正弦型的接地板(把矩形接地板的上側做成正弦的形狀)的輸入反射系數在超寬帶頻帶范圍內都出現了大于-10 dB的情況,而且未改進的矩形接地板的工作帶寬大約為3.2～8.5 GHz,正弦型的接地板的帶寬為5.0～7.0 GHz,都不能完全覆蓋超寬帶3.1～10.6 GHz的頻帶范圍。而本文設計的切除兩角以及開U形結構的接地板,其工作帶寬為3.0～12 GHz,且在超寬帶的頻帶范圍內回波損耗都小于-10 dB,能夠完全覆蓋超寬帶天線的頻帶范圍。

圖3 不同接地板形狀的反射系數

2.3 開口圓環相關參數分析

圖4(a)是通過改變金屬貼片上引入開口圓環的寬度d3,研究不同的環寬對天線性能的影響。通過數據對比,發現隨著d3長度的增加,陷波的中心頻率向低頻處搬移,當d3為1.6 mm時,在3.2～4.0 GHz頻段內電壓駐波比達到了6.5,產生了較深的陷波。用同樣的方法對輻射貼片開口圓環內環長度l1以及開口角度θ3進行研究,由圖4(b)可知,隨著l1長度的增加,陷波的中心頻率也向低頻處搬移,而隨著θ3角度的增大,陷波的中心頻率卻向高頻處搬移。當l1=28 mm和縫隙寬度θ3=50°時,天線在3.2～4.0 GHz頻段內的電壓駐波比也達到了6.5,產生了較深的陷波。

圖4 開口圓環相關參數分析

2.4 倒U形槽相關參數分析

研究發現,隨著L3的增加,陷波中心頻率往低頻處偏移,選擇L3為1.4 mm,此時在5.0～6.0 GHz處陷波頻帶較寬,且在3.2～4.0 GHz頻帶的陷波特性也比較好。隨著L0的增加,陷波的中心頻率往低頻處搬移,且陷波深度有所升高,而需要的是在5.0～6.0 GHz處的陷波,所以選用的是8 mm時的L0。同理得到的倒U形槽的最佳寬度為s=0.1 mm。

圖5 倒U形槽相關參數分析

2.5 陷波可重構特性研究

陷波可重構特性是指在天線中加入射頻開關使得天線工作頻段恢復到無陷波的狀態,常見的射頻開關有射頻微機械(RF MEMS)和射頻PIN二極管。PIN二極管一般應用于高頻開關和可變電容器,PIN二極管在正的直流電壓下呈現斷開的電阻特性；在負的直流電壓下呈高阻抗的電容器特性。因此常把PIN二極管作為射頻開關使用[19]。由于HFSS仿真軟件里沒有PIN二極管開關元件,所以就用2個金屬貼片代替PIN二極管開關。加入貼片相當于PIN二極管斷開,去除貼片相當于開關閉合。

圖6是引入可重構技術,在開口圓環的底部和倒U形槽的頂部加裝開關后的電壓駐波比。

圖6 不同開關狀態下的電壓駐波比

開關1代表的是開口圓環底部的PIN二極管,開關2代表的是倒U形槽頂部的二極管。當開關1和開關2均斷開時,此時沒有加入陷波,天線在超寬帶的頻段內的電壓駐波比均小于2；當開關1斷開,開關2閉合時,在5.5 GHz頻段處產生了單陷波,而在其他頻段內電壓駐波比小于2,說明在此處對無線局域網WLAN通信頻段(5.150～5.285 GHz)能夠產生較好的抑制效果；當開關1閉合,開關2斷開時,僅在3.5 GHz頻段內產生了單陷波,說明在此處天線對WIMAX通信頻段(3.3～3.6 GHz)產生了較好的抑制效果；而當開關1和開關2同時閉合時,天線產生了2個陷波,能夠同時對2個干擾頻段進行抑制。通過引入可重構技術,可以實現在有干擾時對干擾頻段進行抑制,無干擾時能夠使超寬帶的頻帶資源得到最大化的利用。

2.6 天線表面電流分布

由圖7可知,第一個陷波中心頻率3.5 GHz處的表面電流主要集中在開口圓環的邊緣,第二個陷波中心頻率5.5 GHz處的表面電流主要集中在饋線上的倒U形槽附近,而在不是陷波頻段的8 GHz處的表面電流分布比較均勻。

圖7 不同頻率下表面電流

這表明當縫隙的長度約為陷波中心頻率對應波長的1/2時,縫隙中間可以等效為開路,天線在陷波中心頻率處的輸入阻抗約為無窮大,導致阻抗失配,在陷波處積聚較多的表面電流,使得天線在該頻段不能有效地把能量輻射出去,從而產生陷波,達到抑制干擾頻段的目的。

2.7 不同頻率下的方向圖

為研究超寬帶天線在整個工作頻帶內的穩定性和全向輻射特性,選取了3,5.7,8 GHz三個頻點進行仿真,仿真結果如圖8所示。由方向圖可知,該天線的輻射特性與單極子天線很像,方向圖的E面呈8字狀,H面呈圓狀,說明天線在E面輻射有較好的定向性,而在H面具有全向輻射的特性。隨著頻率的增加,方向圖的E面開始有些畸變,但天線的H面變化不大,依然是接近圓的形狀,說明隨著頻率的增大,不改變該天線的全向輻射特性,因此本天線的設計具有全向輻射的優勢。

圖8 不同頻率的方向圖

3 結 論

本文提出了一種具有可重構雙陷波特性的超寬帶天線。通過在接地板兩側切角和引入U形缺口實現良好的超寬帶特性,在輻射貼片上引入開口圓環、饋線上開倒U形槽產生了雙陷波性能。該天線尺寸小,結構簡單,在3.2～4.0 GHz和5.0～6.0 GHz兩個頻段內產生陷波,而在其他頻段內能正常的工作,有效抑制了WIMAX通信頻段和無線局域網WLAN通信頻段對超寬帶系統的干擾。此外在所提雙陷波天線的基礎上,分別在開口圓環和倒U形槽上加入PIN二極管,實現無陷波、單陷波和雙陷波之間的切換,使得在有干擾時對干擾頻段進行抑制,無干擾時,能最大限度的提高超寬帶的頻帶利用率。而且該天線在工作頻段內的電壓駐波比均小于2,回波損耗小于-10 dB,具有較好的全向輻射特性,可以被應用于超寬帶系統中。