多頻帶陷波可重構的超寬帶單極天線

陳江瑜，龔 雪，宋艷麗，劉德兵

（成都航空職業技術學院 工程實訓中心，四川 成都 610100）

0 引 言

隨著無線通信系統的快速發展，超寬帶（UWB，3.1～10.6 GHz）技術已成為未來高數據速率無線通信、高精度雷達和成像系統最有前途的技術之一[1]。作為UWB系統的重要組成部分，UWB天線引起了研究人員的廣泛關注。它表現出理想的特性，如緊湊的尺寸、低成本和良好的全向輻射圖，但存在一個可能的電磁干擾問題，因為在分配給UWB系統的帶寬上存在一些用于其他通信系統的窄帶，如工作在5.15～5.825 GHz的WLAN，頻段衛星通信系統在7.25～7.75 GHz的下行鏈路。連接到UWB天線的兩個帶阻濾波器可用于抑制這些頻帶，但是加載濾波器增加了系統的復雜性。解決此問題的一種簡單方法是設計具有帶陷波特性的UWB天線。據報道，具有帶陷波功能的UWB天線大多數在5.15～5.825 GHz的WLAN中具有一個帶陷波的頻段[2-4]。最近出現了幾種具有雙陷波頻段[5-7]的天線，已經證明可以通過在輻射貼片[5]中切割的橢圓形槽內蝕刻一對T形短截線或使用U形槽[3,6-7]弧形槽來獲得天線輻射的帶阻特性。

然而，以上文獻的帶阻頻帶是固定不變的，不能夠隨著特定需求頻帶的改變隨之變化。為了能夠靈活利用超寬帶頻帶的帶阻特性，設計一種具有可重構的帶阻特性的超寬帶單極子天線得到了廣泛關注和應用。文獻[8]通過加載光敏開關來控制彎折縫隙的長度，從而改變帶阻頻帶的變化。文獻[9-10]在微帶饋線上刻蝕縫隙并加載PIN二極管，天線可以在一個和兩個帶阻頻帶內進行切換。文獻[11]則在一對開環諧振器加載二極管實現了帶阻特性的連續可調。

1 天線設計原理與基本結構

本文設計的多頻帶陷波的超寬帶單極天線結構如圖1所示。圖1（a）是天線的正面結構圖，圖1（b）是天線的背面結構圖。正面結構包括底部切角的開槽矩形貼片和一段50 Ω微帶傳輸，背面結構是中間開槽的金屬地。天線的整體尺寸為14.7 mm×18 mm（0.14λg×0.17λg），印制在介質基板 FR4，其介電常數為4.4，介質損耗角正切為0.02，厚度為1 mm。在考慮天線整體的帶寬、陷波帶的帶寬以及帶阻特性等方面的前提下，在正面矩形貼片刻蝕一個U形縫隙和半圓縫隙。在縫隙的設計中，本文采用波導波長，其中λ0是自由空間中的波長，εeff=(εr+1)/2。

圖1 多頻帶陷波的超寬帶單極子天線結構圖

本文設計的天線采用商業軟件Ansoft HFSS進行仿真，并且對最終設計進行優化。天線結構圖中各個參數對應的具體數值如表1所示。圖2是仿真的多頻帶陷波的超寬帶單極子天線的仿真結果圖，天線能分別實現5.1～5.9 GHz和7.2～8 GHz的阻帶特性，天線反射系數S11小于-10 dB的帶寬范圍是2.4～5.1 GHz、5.9～7.2 GHz和8～13 GHz。

表1 天線各個參數尺寸對照表

圖2 多頻帶陷波的超寬帶單極子天線仿真結果圖

為了進一步了解天線陷波的工作原理，出了天線在陷波頻率處的表面電流分布。第一個陷波5.7 GHz頻率處的電流主要集中在下方的方形縫隙，電流路徑長度 2×（w2+l2）-w3約為λ1/2（λ1為 5.4 GHz對應的導波波長），天線在5.1～5.9 GHz產生一個阻帶；電流主要集中在上方的半圓縫隙中，電流路徑長度為πr約為λ2/2（λ2為7.2～8 GHz對應的導波波長），天線在7.2～8 GHz產生另一個阻帶。

2 可重構天線設計

為了能夠使該天線能夠產生可重構阻帶輻射特性，選用BAR50-02V作為射頻開關，并且在合適位置加載PIN二極管，通過調節二極管狀態（D1，D2）實現陷波可重構。為了給PIN二極管提供電壓，設計直流偏置電路，可以有效防止射頻信號和直流信號之間的相互干擾。在偏置電路中引入12 pF的隔直電容（C1、C2）和51 nH的隔離電感（L1），如圖3所示。綜上所述，通過對這兩個二極管的通斷進行切換，使天線具有單頻帶和多頻帶陷波切換的功能。天線工作模式，如表2所示。

圖3 可重構多頻帶陷波的超寬帶單極子天線

表2 天線工作模式

二極管BAR50-02V導通時相當于3 Ω的電阻，斷開時，二極管等效為由0.15 pF電容和5 kΩ電阻組成的并聯電路。圖4為天線各個模式仿真的反射系數曲線。可以看出，當二極管D1、D2導通即模式1時，天線工作在超寬帶；當二極管D1、D2閉合即模式2時，天線陷波頻帶為5.1～5.9 GHz和7.2～8 GHz；當二極管D1導通、D2閉合即模式3時，陷波頻帶為5.1～5.9 GHz；當二極管D2導通、D1閉合即模式4時，天線陷波頻率為7.2～8 GHz，其他頻帶的反射系數較好。

圖4 可重構多頻帶陷波天線加載二極管仿真結果

如圖5（a）所示，在通帶頻率下，兩個U型縫隙stub 1和stub 2都不會對生成陷波帶產生任何影響。在第一個陷波頻段，當Ls1=λ1/2時，U型縫隙stub 1等效為終端為短路狀態的二分之一波長傳輸線。因此，U型縫隙stub 1表現為具有無限大的輸入阻抗開路串聯短路線，從而導致饋線和輻射貼片之間的阻抗不匹配，結果如圖5（b）所示，該頻帶中的反射系數變大且產生了第一個陷波頻帶。類似地，在第二個帶阻頻帶處，如圖5（c）所示，當Ls2=λ2/2時，stub 2和stub 1的工作方式類似。圖6是天線的實物加工圖，其中圖6（a）是天線正面結構圖，圖6（b）是天線背面結構圖。

圖7表示該可重構帶阻天線的測量和仿真結果圖。采用N5230矢量網絡分析儀測量天線各個模式（二極管D1、D2導通，D1導通、D2閉合，D1閉合、D2導通，D1、D2閉合）4種狀態下的駐波比。測量發現，該天線的兩個帶阻帶寬5.2～6 GHz和7.3～8.1 GHz可以隨著二極管的導通和關閉靈活切換。通過仿真和測量結果發現，測量結果與仿真結果有向上的偏移，可能是由于SMA接頭或者加工誤差帶來的影響。圖8是測量的可重構帶阻天線在二極管D1、D2閉合時的天線方向圖，分別畫出了天線在4 GHz、6.5 GHz和9 GHz的天線方向圖。

圖5 天線傳輸線模型（帶有源阻抗和天線阻抗）

圖6 天線加工實物圖

3 結 論

本文設計了一款具有雙阻帶可重構的超寬帶天線，通過在CPW被面加載兩對開口諧振環SRR，使得天線在5.2～6 GHz和7.3～8.1 GHz雙個頻段內實現了帶阻可調特性，能夠有效抑制無線通信系統中WLAN（5.15～5.825 GHz）和X頻段衛星下行通信（7.25～7.75 GHz）的干擾。通過加工測量天線的反射系數發現，該天線的仿真結果和測量結果較為吻合，且天線的輻射特性較好，能夠應用在未來的無線通信設備中。

圖7 可重構帶阻天線測量和仿真結果圖

圖8 天線輻射方向