雙陷波可重構特性的藍牙超寬帶天線設計*

陸 暢，申欣欣，趙文強，張 睿，段俊萍，張斌珍

（中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

超寬帶（ultra-wideband，UWB）天線由于其低成本、低剖面、低頻譜功率密度、高數據速率［1］等優點，被廣泛應用于高速無線通信、便攜式物聯網（Internet of Things，IoT）等諸多領域［2］。但由于UWB 系統的帶寬很寬，導致不可避免地與一些窄帶系統存在著重疊現象，使UWB 天線容易受到這些窄帶的干擾，例如WIMAX（3.3～3.6 GHz）、WLAN（5.125～5.825 GHz）、ITU（8.025～8.4 GHz）頻段等。為此，有學者通過在接地面［3］、輻射貼片［4］和饋線上刻蝕線槽［5，6］，輻射貼片底部加載寄生結構［7］，安裝短截線［8］等方法來實現陷波特性。Jairrath K等人通過引入一對對稱的L型半波長諧振器和C 型寄生結構實現了雙陷波功能［9］，Beigi P等人提出了加載超材料激勵的互補開口諧振環使天線具備陷波功能［10］。在陷波結構中插入PIN 二極管［11］、MEMS開關［12］變容二極管［13，14］，能夠實現陷波頻段的可重構，使天線的工作更靈活。

本文提出了一種集成了藍牙／UWB頻段和雙陷波可重構功能的小型化平面天線。天線由削頂圓形貼片和1／4 波長圓弧枝節組成，在圓形貼片上刻蝕的兩個圓形縫隙，實現雙陷波特性。天線設計在尺寸為20 mm×25 mm×1.57 mm的Rogers5880介質基板上。

1 天線的設計與分析

1.1 天線的設計過程

天線幾何結構和加工實物如圖1所示，表1為天線的具體尺寸。天線的設計步驟如圖2 所示，天線1 是共面波導饋電的削頂圓形單極子天線，為了獲得良好的阻抗帶寬，對接地面進行倒角處理。在天線2 中，圓形貼片右側加載的1／4 波長圓弧枝節，實現了藍牙頻段與UWB 頻段的集成。在天線3 的圓形貼片中刻蝕2 個圓形槽，成功引入了2個陷波頻帶。控制2 個二極管D1，D2 的狀態，能夠實現2個陷波頻帶的獨立調控。

表1 天線的具體尺寸 mm

圖1 天線結構和實物

圖2 天線的設計過程

不同結構的仿真結果如圖3所示，可以看出，天線1 的頻率響應帶寬為3～12 GHz，加載了圓弧枝節后的天線2 帶寬達到2.39～2.52 GHz和2.92～12 GHz。從天線3 的回波損耗可以看出，在其通帶內引入2 個陷波帶，分別是5.1～6 GHz和8.0～8.4 GHz，使天線3 能有效濾除WLAN 和ITU頻段的干擾。

1.2 參數化分析

圖4（a）為不同R1對陷波中心頻率的影響，可以觀察到第一陷波帶的中心頻率隨著R1值的減小而增大，當R1＝3.9 mm時，陷波中心頻率為5.12 GHz 左右；當R1減小到3.3 mm時，陷波的中心頻率增大到6.1 GHz 左右。由此可見，陷波頻率與圓形縫隙的有效長度成反比。在圖4（b）中，第二陷波頻段的中心頻率，隨著R2值的減小而增大，當R2＝2.6 mm時，陷波中心頻率為7.8 GHz，當R2的尺寸減小2.2 mm時，陷波的中心頻率增大到8.68 GHz左右。當改變其中一個陷波帶的中心頻率時，對另一個陷波帶幾乎沒有影響，這表明2個陷波帶是獨立調控的。

圖4 不同R1，R2 對陷波的頻段的影響

1.3 表面電流分析

在不同頻率下天線表面的電流分布，如圖5 所示。可以看出，在2.4 GHz 處，圓弧形枝節上的電流最強，表明此頻點處，圓弧枝節是主要輻射單元。在第一陷波帶中心頻率5.7 GHz和第二陷波帶中心頻率8.2 GHz處，電流最強的位置分別聚集在2 個圓形縫隙周圍，這表明能量主要集中在縫隙結構上，并沒有向空中輻射，因此降低了天線在陷波頻點處的增益和輻射能力，從而實現陷波特性。

圖5 天線在不同頻率下的表面電流分布

2 實驗結果與討論

2.1 天線的回波損耗陷波

通過矢量網絡分析儀對所提出的天線進行性能測試，在實測過程中，用銅片的有／無，來代替二極管的通／斷。切換PIN二極管D1，D2的工作狀態，可以改變天線在工作狀態，結果如圖6所示。

圖6 4 種工作狀態下的回波損耗

圖6（a）為D1，D2都導通時，天線在藍牙／UWB全頻段工作，此時的工作帶寬為2.39～2.52 GHz和2.92～12 GHz；圖6（b）為D1截止，D2導通時，天線工作在單陷波（第一陷波帶）狀態，陷波帶測試結果為5.1～6 GHz；圖6（c）為對應的D1 導通，D2 截止時，測試的陷波帶帶寬為7.95～8.42 GHz；圖6（d）為D1，D2 都截止時，天線具有雙頻段陷波功能，陷波帶的測試結果為5.3～6.0 GHz 和8.0～8.45 GHz。經對比分析，測試結果與仿真結果存在的微小偏差，是由于加工誤差、SMA 連接器損耗以及測試誤差等不可避免的因素所致。

2.2 輻射方向圖

天線在2.4，3.7，6.3，10 GHz處測試與仿真的輻射方向圖如圖7 所示。可以看出，天線表現出良好的全向輻射性能。測試與仿真結果吻合良好。

圖7 天線不同頻率下的仿真與測試方向圖

2.3 天線增益

在雙陷波狀態下天線增益的仿真與測試結果如圖8 所示。在2 個陷波中心頻點處天線增益降到最低水平，5.7 GHz時天線增益為－11.5 dBi，8.2 GHz 時天線增值為－3 dBi，有效地證明了天線在陷波頻段的濾波特性。在其余工作頻段，天線的增益穩定在2～5.2 dBi之間。

圖8 天線峰值增益的仿真與測試結果

2.4 本文天線與文獻中同類天線的比較

表2為本文天線與同類應用天線的對比。從天線的尺寸、工作帶寬、陷波帶可重構以及峰值增益幾個方面進行比較，可以看出，該天線具有體積小、工作帶寬較寬、工作模式多、增益高等優點。

表2 本文天線與參考文獻中天線的對比

3 結束語

本文設計了一種尺寸為20 mm×25 mm×1.57 mm的藍牙／UWB天線，在輻射貼片上刻蝕2 個圓形縫隙，使天線具5.1～6 GHz和8.0～8.4 GHz雙陷波特性。通過控制安裝在圓形縫隙中二極管的工作狀態，可以使天線選擇性地濾除UWB頻段中WLAN 和ITU 頻段的干擾，以提供高效的UWB通信。實測與仿真結果表明，在其工作帶寬內都能具有穩定的增益和輻射性能。