一種陷波可重構(gòu)的超寬帶天線設(shè)計與研究

梁 青，王 超，蘇正東，熊 偉

1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121；2.西京學(xué)院 理學(xué)院，陜西 西安 710199)

0 引言

自美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)于2002年發(fā)布了將3.1～10.6 GHz頻段用于超寬帶通信，并將其用于商業(yè)應(yīng)用中的超寬帶(UWB)通信頻段以來[1]，由于其數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩院投鄰礁蓴_的良好抗干擾能力，使得UWB通信的研究領(lǐng)域倍受關(guān)注。至此，UWB通信技術(shù)被認(rèn)為是最有研究價值的技術(shù)之一[2]。然而，由于窄帶通信頻段的存在，使得UWB系統(tǒng)在工作時，窄帶通信頻段可能會對UWB通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。為了避免這種干擾，起初研究人員通過將天線和帶阻濾波器連接在一起，天線工作時能產(chǎn)生陷波功能，但隨著通信技術(shù)和微波器件朝著集成化方面的發(fā)展，該方法漸漸被人們忽視。后來，研究人員發(fā)現(xiàn)，在天線上刻蝕幾何形狀的縫隙[3-5]、添加寄生單元[6-8]、引入諧振枝節(jié)[9-10]等也能產(chǎn)生陷波功能。引入諧振枝節(jié)，在低頻時，枝節(jié)過長不利于天線小型化；添加寄生單元導(dǎo)致天線輻射面積增大，且添加的寄生單元較多時，寄生單元之間產(chǎn)生耦合，影響天線工作性能，因此不易多引入寄生單元結(jié)構(gòu)；在天線上刻蝕縫隙，不僅易實(shí)現(xiàn)陷波功能，且天線輻射面積不變，對天線匹配效果影響較小，因此，目前研究設(shè)計陷波時，多采用刻蝕縫隙的方式。文獻(xiàn)[11]通過在天線輻射貼片上刻蝕弧形槽和在微帶饋線上刻蝕U型槽，實(shí)現(xiàn)天線的雙陷波特性。文獻(xiàn)[12]設(shè)計了一款雙陷波超寬帶天線，通過在貼片上刻蝕H形圓弧縫隙和在地板上刻蝕L形縫隙，實(shí)現(xiàn)雙陷波特性。

本文設(shè)計了一款具有可重構(gòu)特性的四陷波UWB天線。在地板上添加開口寄生單元實(shí)現(xiàn)4.5～5.7 GHz的陷波，在微帶饋線上刻蝕U形縫隙實(shí)現(xiàn)了6.75～7.6 GHz的陷波，在輻射貼片表面刻蝕兩個大小不等的U形縫隙分別實(shí)現(xiàn)了7.9～9.4 GHz和10.3～11.2 GHz的陷波功能。使用高等電磁仿真軟件HFSS 15.0 對天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化，且對加工的天線實(shí)物進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，該天線在3～11.74 GHz頻段內(nèi)，可有效避免多窄帶信號的干擾，具有很好的實(shí)用價值。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線正反面幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由輻射貼片、螺旋寄生單元和改進(jìn)型地板組成。改進(jìn)型地板在起地板作用的同時，不僅拓寬了天線的工作帶寬，且對后面在地板上加載枝節(jié)產(chǎn)生陷波有幫助。通過在地板中加入窄帶寄生單元以及在輻射貼片和微帶饋線刻蝕縫隙，設(shè)計出完整的四陷波天線。對于刻蝕的幾何縫隙和添加的諧振枝節(jié)尺寸進(jìn)行計算[13]：

(1)

(2)

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

式中：c為自由空間中的光速；L為刻蝕縫隙的長度或添加枝節(jié)的長度；fx為陷波處的中心頻率；εe為介質(zhì)基板的等效介電常數(shù)；εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)。通過仿真軟件對尺寸進(jìn)行優(yōu)化，選擇最佳的尺寸參數(shù)。

天線和微帶饋線印制在厚度為0.8 mm，介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上，總體尺寸為24 mm×16 mm，天線主要參數(shù)如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)的主要參數(shù) (單位:mm)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值W16.0L23.0g1.5L24.0L32.5t12.0W11.5L45.8t21.5W26.0L58.5t30.5W34.3s0.2t43.2W41.0s11.0n112.0W515.0e5.6n25.0L18.0e16.0r1.4

2 陷波原理與分析

2.1 陷波產(chǎn)生的原理

天線中實(shí)現(xiàn)陷波特性方式有：在輻射單元或饋電中刻蝕縫隙、在天線表面引入窄帶諧振結(jié)構(gòu)和在地板上引入諧振結(jié)構(gòu)。

在天線中引入諧振結(jié)構(gòu)，調(diào)整諧振結(jié)構(gòu)與天線輻射貼片的距離，從而使兩者產(chǎn)生耦合。利用耦合諧振單元法來改變輻射片上的表面電流流向，從而達(dá)到頻帶抑制的作用。由于添加的窄帶諧振單元通常是陷波中心頻率對應(yīng)波長的1/2，故也可說是串聯(lián)了半波長的諧振器。刻蝕幾何槽的原理與添加諧振枝節(jié)實(shí)現(xiàn)陷波功能相似，通過在輻射貼片適當(dāng)位置刻蝕幾何槽線，使幾何槽線兩邊電流的方向相反，從而實(shí)現(xiàn)頻帶抑制；而被抑制的頻帶帶寬及中心頻率值由槽孔的尺寸決定，改變槽孔的長度和寬度可改變被抑制頻帶的帶寬和中心頻率值。長度等效為其諧振頻率的半波長，通過調(diào)節(jié)長度可獲得特定頻率的陷波，實(shí)現(xiàn)帶阻效果。由式(1)、(2)可得，陷波中心頻率與縫隙或諧振枝節(jié)的尺寸成反比。下面通過調(diào)節(jié)縫隙和諧振枝節(jié)尺寸驗證陷波中心頻率與尺寸的關(guān)系。

2.2 陷波特性分析

為了更深刻了解刻蝕縫隙和寄生單元尺寸對天線陷波頻率的影響，選取部分尺寸進(jìn)行仿真分析。由于4.5～5.7 GHz和6.75～7.6 GHz頻段處的陷波是分別由添加寄生單元和刻蝕縫隙產(chǎn)生的，因此，對n1和L4進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 n1不同長度對陷波頻率的影響

圖3 L4對陷波頻率的影響

由圖2可見，寄生單元使天線在4.5～5.7 GHz波段產(chǎn)生陷波，且陷波中心頻率隨著n1的增大而降低。當(dāng)n1=11.8 mm時，陷波中心頻率在5.6 GHz左右；當(dāng)n1增大到12.2 mm時，陷波中心頻率降低到5.4 GHz左右。由圖3可見，刻蝕的U形縫隙使天線在6.75～7.6 GHz波段產(chǎn)生陷波，且陷波中心頻率隨著L4的增大而降低。當(dāng)L4=5.7 mm時，陷波中心頻率在7.5 GHz左右；當(dāng)L4增大到6.1 mm時，陷波中心頻率降低到7.1 GHz左右。由此可見，陷波中心頻率隨著縫隙和諧振枝節(jié)的尺寸變化而變化。當(dāng)尺寸增大時，陷波中心頻率降低；當(dāng)尺寸減小時，陷波中心頻率升高。陷波中心頻率與縫隙和諧振枝節(jié)尺寸成反比關(guān)系，滿足式(1)的物理關(guān)系。

3 仿真結(jié)果和分析

3.1 天線仿真分析

利用電磁仿真軟件HFSS15.0對天線仿真分析，仿真結(jié)果如圖4、5所示。由圖4、5可見，在4.5～5.7 GHz、6.75～7.6 GHz、7.9～9.4 GHz和10.3～11.2 GHz頻帶內(nèi)電壓駐波比>2，回波損耗S11>-10 dB，天線實(shí)現(xiàn)了四陷波特性。天線的相對帶寬達(dá)到118%。圖6為天線分別在3 GHz、5 GHz、9 GHz的增益方向圖。方向圖在低頻時呈“8”字形狀，增益良好；高頻時，由于天線和微帶饋線之間不完全匹配，以至天線的增益方向圖發(fā)生變化。該天線在其通帶內(nèi)輻射基本良好，具有較好的全向性。圖7為天線增益隨頻率變化曲線圖。

圖4 天線回波損耗仿真曲線

圖5 天線駐波比仿真曲線

圖6 天線在3 GHz、5 GHz和9 GHz的增益方向圖

圖7 天線增益曲線圖

3.2 螺旋寄生結(jié)構(gòu)對陷波影響分析

在最初設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)中，通過仿真發(fā)現(xiàn),在10.3～11.2 GHz頻帶內(nèi)陷波特性較差，陷波深度較淺。為解決上述問題，文中在輻射貼片上方引入一種螺旋寄生結(jié)構(gòu)。當(dāng)天線工作在10.3～11.2 GHz頻帶內(nèi)，螺旋寄生結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生與主輻射貼片相反的電流，使10.3～11.2 GHz頻帶內(nèi)陷波深度上升了約50%，如圖8所示，基本不影響天線其他性能。

圖8 加螺旋寄生結(jié)構(gòu)前、后對陷波影響

3.3 陷波可重構(gòu)特性研究

陷波可重構(gòu)特性是指在陷波適當(dāng)位置添加射頻開關(guān)，使天線陷波可在有/無或不同陷波個數(shù)之間變化的狀態(tài)。本文采用PIN二極管開關(guān)元件，由于HFSS軟件中沒有該元件，因此，本文用金屬銅片代替PIN二極管開關(guān)。有銅片相當(dāng)于開關(guān)斷開，反之相當(dāng)于開關(guān)閉合。圖9是在天線微帶饋線中U形縫隙底部引入PIN開關(guān)前、后的電壓駐波比。由圖可知，加PIN開關(guān)后，6.75～7.6 GHz頻段內(nèi)陷波消失，實(shí)現(xiàn)了四陷波到三陷波的轉(zhuǎn)換。

圖9 加入PIN開關(guān)前、后的電壓駐波比

4 實(shí)物測試結(jié)果

本文對所設(shè)計天線進(jìn)行了實(shí)物加工和測試。天線實(shí)物如圖10所示。

圖10 天線實(shí)物圖

使用Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為兩款天線的駐波比進(jìn)行實(shí)際測量，結(jié)果如圖11、12所示。實(shí)物測試與仿真結(jié)果存在一定誤差，這可能由天線加工和微波高頻連接器(SMA)接口焊接處造成的。總之，實(shí)測與仿真結(jié)果基本吻合。

圖11 未加PIN開關(guān)天線電壓駐波比對比圖

圖12 添加PIN開關(guān)天線電壓駐波比對比圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種具有四陷波及可重構(gòu)特性的超寬帶天線，通過在天線輻射貼片、微帶饋線上刻蝕U形槽，以及在改進(jìn)型地板上添加環(huán)形開口寄生單元實(shí)現(xiàn)天線四陷波特性。添加PIN二極管開關(guān)元件，實(shí)現(xiàn)了天線從四陷波到三陷波的可重構(gòu)特性。對天線進(jìn)行實(shí)物加工及測量，結(jié)果表明，天線在3～11.74 GHz滿足超寬帶頻段要求，且具有良好的增益方向圖，該天線具有良好應(yīng)用前景和使用價值。