陳 菁，張 騫，馬潤(rùn)波，韓麗萍

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

自從美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)將3.1～10.6 GHz頻段規(guī)定為民用超寬帶頻段以來，超寬帶技術(shù)突破了在軍事通信和雷達(dá)遙感中的應(yīng)用局限，成為短距離、高傳輸速率的商業(yè)和民用無線通信系統(tǒng)研究熱點(diǎn). 由于縫隙天線具有阻抗帶寬寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于與其它微波電路相集成等特性，故超寬帶縫隙天線成為近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1-2]. 文獻(xiàn)[1]采用錐形縫隙改善天線的阻抗匹配，從而實(shí)現(xiàn)超寬帶； 文獻(xiàn)[2]通過加載L型枝節(jié)產(chǎn)生新的諧振頻點(diǎn)來拓展帶寬，實(shí)現(xiàn)超寬帶.

超寬帶通信系統(tǒng)的工作頻段覆蓋其它窄帶通信系統(tǒng)頻段，如WiMAX頻段(3.3～3.7 GHz)、C波段(3.7～4.2 GHz)和WLAN頻段(5.15～5.825 GHz). 為了抑制這些窄帶通信系統(tǒng)與超寬帶通信系統(tǒng)間的相互干擾，研究具有陷波特性的超寬帶天線迫在眉睫. 文獻(xiàn)[3-5]通過加載倒T型枝節(jié)、C型枝節(jié)、L型枝節(jié)實(shí)現(xiàn)陷波功能； 文獻(xiàn)[6-8]通過在輻射枝節(jié)刻蝕∏型、倒V型、S型縫隙產(chǎn)生陷波. 為了進(jìn)一步提高超寬帶系統(tǒng)的性能，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用實(shí)時(shí)改變陷波頻段. 近年來，學(xué)者們提出了一些陷波可重構(gòu)超寬帶縫隙天線的設(shè)計(jì)方案. 文獻(xiàn)[6]通過在矩形輻射枝節(jié)刻蝕倒U型縫隙，并且在縫隙上加載PIN二極管，通過控制二極管的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)陷波可調(diào)； 文獻(xiàn)[9]通過加載倒Γ型枝節(jié)和矩形開口諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)雙陷波特性，在枝節(jié)和開口諧振環(huán)的適當(dāng)位置加載PIN二極管，并通過控制二極管的導(dǎo)通和斷開狀態(tài)實(shí)現(xiàn)陷波可重構(gòu).

本文提出一種陷波可重構(gòu)的超寬帶縫隙天線. 為了實(shí)現(xiàn)超寬帶，天線采用六邊形縫隙和帶矩形輻射枝節(jié)的漸變饋線，通過在饋線旁加載倒L型寄生結(jié)構(gòu)以及在矩形枝節(jié)刻蝕倒U型縫隙，天線可分別實(shí)現(xiàn)WiMAX頻段和WLAN頻段的陷波. 通過控制加載在寄生結(jié)構(gòu)和縫隙上的開關(guān)元件狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)陷波可調(diào)，從而使天線工作在超寬帶、WiMAX頻段陷波、WLAN頻段陷波、WiMAX和WLAN頻段雙陷波4種模式.

1 天線設(shè)計(jì)

天線的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，介質(zhì)基板的上表面是帶矩形輻射枝節(jié)的漸變微帶饋線，下表面是刻蝕六邊形縫隙的接地板. 饋線旁加載一個(gè)倒L型寄生結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)WiMAX頻段陷波，矩形枝節(jié)上刻蝕倒U型縫隙實(shí)現(xiàn)WLAN頻段陷波. 倒L型寄生結(jié)構(gòu)和U型縫隙上分別加載一個(gè)理想開關(guān)，通過控制開關(guān)的通斷可使天線工作在超寬帶、兩個(gè)單頻帶陷波和一個(gè)雙頻帶陷波4種模式. 天線印制在相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為0.8 mm的FR4介質(zhì)基板上，利用商用電磁軟件HFSS進(jìn)行仿真分析. 優(yōu)化的參數(shù)為：L=24.5 mm,W=20.5 mm,lf=7 mm,wf=1.5 mm,lp=7 mm,wp=7 mm,l1=6 mm,w1=0.55 mm,l2=15.5 mm,w2=8 mm,l3=5.5 mm,w3=1.8 mm,l4=0.5 mm,w4=1.5 mm,lg1=3 mm,wg1=1.75 mm,ls=16 mm,ws=19 mm,l5=2.5 mm,w5=5 mm,lg=6 mm. 仿真中，用銅片的有無模擬開關(guān)的導(dǎo)通和斷開，天線的工作模式如表 1 所示.

圖 1 天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration of the antenna

S1S2Mode 1offonMode 2ononMode 3offoffMode 4onoff

圖 2 為天線仿真的反射系數(shù)曲線. 從圖 2 中可以看出：當(dāng)開關(guān)S1斷開、S2導(dǎo)通時(shí)(模式1)，天線工作頻段為3.1～10.6 GHz，實(shí)現(xiàn)了超寬帶模式； 當(dāng)開關(guān)S1,S2均導(dǎo)通時(shí)(模式2)，天線陷波頻段為3.3～3.9 GHz，在WiMAX頻段具有陷波特性； 當(dāng)開關(guān)S1,S2均斷開時(shí)(模式3)，天線陷波頻段為5.0～5.95 GHz，在WLAN頻段具有陷波特性； 當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通、S2斷開時(shí)(模式4)，天線陷波頻段為3.3～3.95 GHz和5.1～5.9 GHz，在WiMAX頻段和WLAN頻段具有陷波特性.

圖 2 天線反射系數(shù)Fig.2 Reflection coefficients of the antenna

2 參數(shù)分析

通過對(duì)天線進(jìn)行敏感性分析，我們發(fā)現(xiàn)lp和w1主要影響天線在模式1時(shí)的性能，倒L型結(jié)構(gòu)和倒U型縫隙的長(zhǎng)度(lstub=l2+w2和lslot=2×l3+2×w3+2×w4)分別是影響天線在模式2和模式3時(shí)性能的主要因素. 分析某一參數(shù)對(duì)天線性能的影響時(shí)，其它參數(shù)均保持不變. 圖 3 和圖 4 分別給出模式1情況下lp和w1對(duì)天線反射系數(shù)的影響. 從圖 3 可看出，隨著lp的增加，最低頻點(diǎn)向上偏移. 從圖 4 可看出，采用普通饋線(w1=0 mm)時(shí)，天線在4 GHz和8.5 GHz處的阻抗匹配較差，采用漸變饋線能夠改善天線的匹配性能，4 GHz和8.5 GHz處的匹配隨著w1的增大逐漸變好. 圖 5 和圖 6 分別給出模式2和模式3情況下lstub和lslot對(duì)天線反射系數(shù)的影響：隨著lstub和lslot的增大，天線陷波頻段的中心頻率均逐漸變小.

圖 3 模式1時(shí)lp對(duì)反射系數(shù)的影響Fig.3 Effect of lp on reflection coefficients in mode 1

圖 4 模式1時(shí)w1對(duì)反射系數(shù)的影響Fig.4 Effect of w1 on reflection coefficients in mode 1

圖 5 模式2時(shí)lstub對(duì)反射系數(shù)的影響 Fig.5 Effect of lstub on reflection coefficients in mode 2

圖 6 模式3時(shí)lslot對(duì)反射系數(shù)的影響Fig.6 Effect of lslot on reflection coefficients in mode 3

3 結(jié)果與討論

天線印制在相對(duì)介電常數(shù)為4.4、厚度為0.8 mm、介質(zhì)損耗角正切為0.02的FR4介質(zhì)基板上，圖 7 為天線的實(shí)物圖. 采用Agilent公司N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的反射系數(shù)； 采用Lab-Volt公司8092型自動(dòng)天線測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量天線的方向圖.

圖 7 天線實(shí)物圖Fig.7 Photos of the antenna

圖 8 為天線測(cè)量的反射系數(shù)曲線，與圖 2 所示仿真結(jié)果基本吻合. 測(cè)量結(jié)果表明：天線可以工作在超寬帶、兩個(gè)單頻帶陷波和一個(gè)雙頻帶陷波4種模式. 模式1時(shí)，天線工作頻段為3.1～10.6 GHz，可以覆蓋整個(gè)UWB頻段； 模式2和3時(shí)，天線陷波頻段分別為3.25～4.05和5.2～6.13 GHz，分別涵蓋WiMAX和WLAN頻段； 模式4時(shí)，天線陷波頻段為3.3～4.12 GHz和5.2～6.1 GHz，涵蓋WiMAX和WLAN頻段. 仿真和測(cè)量結(jié)果的差異主要由介質(zhì)基板介電常數(shù)的偏差以及制作誤差引起. 圖 9 是天線在模式4時(shí)測(cè)量的歸一化輻射方向圖. 由圖 9 可知：H面方向圖基本是全向型，E面的方向圖基本呈“8”字型.

圖 8 測(cè)量反射系數(shù)Fig.8 Measured reflection coefficients

圖 9 測(cè)量輻射方向圖Fig.9 Measured radiation patterns

4 結(jié) 論

本文提出一種應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)的陷波可重構(gòu)縫隙天線. 采用六邊形縫隙和帶矩形輻射枝節(jié)的漸變饋線實(shí)現(xiàn)超寬帶. 通過加載寄生結(jié)構(gòu)、刻蝕縫隙分別實(shí)現(xiàn)WiMAX和WLAN頻段的陷波，通過控制寄生結(jié)構(gòu)和縫隙上開關(guān)元件的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)陷波可重構(gòu). 天線可以工作在超寬帶、WiMAX頻段陷波、WLAN頻段陷波、WiMAX和WLAN頻段雙陷波4種模式.