南敬昌, 王加冕, 趙久陽, 胡汗青, 楊 潔

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

自2002年,美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(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(shù)便引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。現(xiàn)有的這些窄帶頻段會(huì)在超寬帶系統(tǒng)的不同頻段內(nèi)對(duì)超寬帶系統(tǒng)的工作產(chǎn)生干擾。為濾除這些頻段的干擾,研究人員采用天饋系統(tǒng),即在超寬帶天線處連接濾波器,產(chǎn)生的總響應(yīng)能在需要抑制的頻段處達(dá)到陷波特性,但該方法由于制作成本高且設(shè)計(jì)復(fù)雜漸漸地成為歷史。后來,人們發(fā)現(xiàn)在超寬帶天線上采用添加寄生單元[4～6]、引入匹配枝節(jié)[7～9]、開槽[10～14]等方法也能實(shí)現(xiàn)陷波特性。加入匹配枝節(jié),由于枝節(jié)長度的限制會(huì)導(dǎo)致陷波頻率不能太低；而引入寄生單元,又會(huì)增大天線輻射面的尺寸；但開槽不僅不會(huì)增加天線輻射面的尺寸,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,對(duì)頻帶內(nèi)的阻抗匹配影響也比較小,所以,現(xiàn)在經(jīng)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(xiàn)[15]提出在天線上開圓弧型H槽,這種結(jié)構(gòu)不僅能夠很好地抑制干擾頻段,同時(shí)陷波的中心頻率也比較容易控制,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較大。文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[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(bǔ)開口諧振環(huán)(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(xiàn)[19]的設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)了具有可重構(gòu)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(huán),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(nèi)產(chǎn)生陷波。使用電磁仿真軟件HFSS 13.0對(duì)本文設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了建模仿真及優(yōu)化,經(jīng)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)一步的分析,表明天線性能優(yōu)良,可以應(yīng)用在實(shí)際的超寬帶系統(tǒng)中。

1 雙陷波超寬帶天線的基本原理

本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,天線的輻射單元為一個(gè)圓形金屬貼片,介質(zhì)基板是相對(duì)介電常數(shù)為4.4,厚度為1.5 mm的FR4板,由一個(gè)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(gè)寬度為d3,開口角度為θ3的開口圓環(huán),圓環(huán)的內(nèi)半徑為r2。寬度為W1的饋線上開了一個(gè)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(gè)U形口,使得天線的阻抗特性變得更加平滑,同時(shí)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(jié)構(gòu)

開口圓環(huán)及倒U形槽的引入相當(dāng)于在天線中引入一個(gè)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(shí)天線的等效電路相當(dāng)于產(chǎn)生了諧振,使得大量電流集中到槽的附近,天線會(huì)因?yàn)樽杩故涠荒茌椛淠芰縖19]?？p隙的總長度可以用式(1)近似計(jì)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(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)。當(dāng)S11<-10 dB,電壓駐波比≤2時(shí),認(rèn)為天線的匹配較好。經(jīng)過使用電磁仿真軟件HFSS對(duì)開槽的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,最終得到以下的最佳參數(shù)值,如表1所示。

表1 超寬帶天線參數(shù)尺寸 mm

2 天線仿真結(jié)果與分析

2.1 接地板的U形結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過改變接地板的U形結(jié)構(gòu)參數(shù)a(U形深度)和b(U形寬度),研究這些參數(shù)對(duì)天線的影響。由圖2(a)可知當(dāng)a=3 mm時(shí)得到的反射系數(shù)在超寬帶頻段內(nèi)遠(yuǎn)離-10 dB的程度較好；同理,當(dāng)b=2.89 mm時(shí)得到的結(jié)果比較好。

圖2 不同深度和不同寬度下的反射系數(shù)

2.2 不同情況下的反射系數(shù)

圖3是在其他參數(shù)不變,僅對(duì)接地板做出不同形狀改進(jìn)下的反射系數(shù)仿真圖。由圖3可知,未改進(jìn)的矩形接地板和正弦型的接地板(把矩形接地板的上側(cè)做成正弦的形狀)的輸入反射系數(shù)在超寬帶頻帶范圍內(nèi)都出現(xiàn)了大于-10 dB的情況,而且未改進(jìn)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(shè)計(jì)的切除兩角以及開U形結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù)

2.3 開口圓環(huán)相關(guān)參數(shù)分析

圖4(a)是通過改變金屬貼片上引入開口圓環(huán)的寬度d3,研究不同的環(huán)寬對(duì)天線性能的影響。通過數(shù)據(jù)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)隨著d3長度的增加,陷波的中心頻率向低頻處搬移,當(dāng)d3為1.6 mm時(shí),在3.2～4.0 GHz頻段內(nèi)電壓駐波比達(dá)到了6.5,產(chǎn)生了較深的陷波。用同樣的方法對(duì)輻射貼片開口圓環(huán)內(nèi)環(huán)長度l1以及開口角度θ3進(jìn)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(dāng)l1=28 mm和縫隙寬度θ3=50°時(shí),天線在3.2～4.0 GHz頻段內(nèi)的電壓駐波比也達(dá)到了6.5,產(chǎn)生了較深的陷波。

圖4 開口圓環(huán)相關(guān)參數(shù)分析

2.4 倒U形槽相關(guān)參數(shù)分析

研究發(fā)現(xiàn),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(shí)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(shí)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(guān)參數(shù)分析

2.5 陷波可重構(gòu)特性研究

陷波可重構(gòu)特性是指在天線中加入射頻開關(guān)使得天線工作頻段恢復(fù)到無陷波的狀態(tài),常見的射頻開關(guān)有射頻微機(jī)械(RF MEMS)和射頻PIN二極管。PIN二極管一般應(yīng)用于高頻開關(guān)和可變電容器,PIN二極管在正的直流電壓下呈現(xiàn)斷開的電阻特性；在負(fù)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(guān)使用[19]。由于HFSS仿真軟件里沒有PIN二極管開關(guān)元件,所以就用2個(gè)金屬貼片代替PIN二極管開關(guān)。加入貼片相當(dāng)于PIN二極管斷開,去除貼片相當(dāng)于開關(guān)閉合。

圖6是引入可重構(gòu)技術(shù),在開口圓環(huán)的底部和倒U形槽的頂部加裝開關(guān)后的電壓駐波比。

圖6 不同開關(guān)狀態(tài)下的電壓駐波比

開關(guān)1代表的是開口圓環(huán)底部的PIN二極管,開關(guān)2代表的是倒U形槽頂部的二極管。當(dāng)開關(guān)1和開關(guān)2均斷開時(shí),此時(shí)沒有加入陷波,天線在超寬帶的頻段內(nèi)的電壓駐波比均小于2；當(dāng)開關(guān)1斷開,開關(guān)2閉合時(shí),在5.5 GHz頻段處產(chǎn)生了單陷波,而在其他頻段內(nèi)電壓駐波比小于2,說明在此處對(duì)無線局域網(wǎng)WLAN通信頻段(5.150～5.285 GHz)能夠產(chǎn)生較好的抑制效果；當(dāng)開關(guān)1閉合,開關(guān)2斷開時(shí),僅在3.5 GHz頻段內(nèi)產(chǎn)生了單陷波,說明在此處天線對(duì)WIMAX通信頻段(3.3～3.6 GHz)產(chǎn)生了較好的抑制效果；而當(dāng)開關(guān)1和開關(guān)2同時(shí)閉合時(shí),天線產(chǎn)生了2個(gè)陷波,能夠同時(shí)對(duì)2個(gè)干擾頻段進(jìn)行抑制。通過引入可重構(gòu)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)在有干擾時(shí)對(duì)干擾頻段進(jìn)行抑制,無干擾時(shí)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(gè)陷波中心頻率3.5 GHz處的表面電流主要集中在開口圓環(huán)的邊緣,第二個(gè)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(dāng)縫隙的長度約為陷波中心頻率對(duì)應(yīng)波長的1/2時(shí),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(dǎo)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(chǎn)生陷波,達(dá)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(gè)工作頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性和全向輻射特性,選取了3,5.7,8 GHz三個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)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(shè)計(jì)具有全向輻射的優(yōu)勢。

圖8 不同頻率的方向圖

3 結(jié) 論

本文提出了一種具有可重構(gòu)雙陷波特性的超寬帶天線。通過在接地板兩側(cè)切角和引入U(xiǎn)形缺口實(shí)現(xiàn)良好的超寬帶特性,在輻射貼片上引入開口圓環(huán)、饋線上開倒U形槽產(chǎn)生了雙陷波性能。該天線尺寸小,結(jié)構(gòu)簡單,在3.2～4.0 GHz和5.0～6.0 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)產(chǎn)生陷波,而在其他頻段內(nèi)能正常的工作,有效抑制了WIMAX通信頻段和無線局域網(wǎng)WLAN通信頻段對(duì)超寬帶系統(tǒng)的干擾。此外在所提雙陷波天線的基礎(chǔ)上,分別在開口圓環(huán)和倒U形槽上加入PIN二極管,實(shí)現(xiàn)無陷波、單陷波和雙陷波之間的切換,使得在有干擾時(shí)對(duì)干擾頻段進(jìn)行抑制,無干擾時(shí),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(nèi)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(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)中。