易卿武，申建華

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

超寬帶(Ultra-wideband,UWB)技術(shù)最早出現(xiàn)在美國(guó)軍用領(lǐng)域，2002年4月美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)解除了UWB技術(shù)的民用許可限制，從此UWB技術(shù)得到快速普及和發(fā)展。同時(shí)FCC為UWB分配了3.1～10.6 GHz的頻譜。我國(guó)UWB事業(yè)的發(fā)展起步較晚，但是受到國(guó)家的高度重視，2001年9月初，我國(guó)發(fā)布的“十五”國(guó)家“863”計(jì)劃通信技術(shù)主題研究項(xiàng)目中，首次將“超寬帶無線通信技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)”作為無線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，顯示了國(guó)家對(duì)UWB發(fā)展的重視。

超寬帶通信系統(tǒng)中，超寬帶天線扮演著重要角色。迄今，基于超寬帶的潛在應(yīng)用和發(fā)展已提出并研究了一系列超寬帶天線單元及陣列。作為無線通信的中小功率應(yīng)用場(chǎng)景，這類天線以微波介質(zhì)基板為襯底的實(shí)現(xiàn)方式(如微帶線、共面波導(dǎo))展開研究的居多。文獻(xiàn)[1]中，作者結(jié)合醫(yī)療健康方面的應(yīng)用背景，討論了低吸收率的超寬帶天線特性及其設(shè)計(jì)問題。文獻(xiàn)[2]結(jié)合近年來太赫茲的發(fā)展趨勢(shì)，討論了一種橢圓形輪廓的超寬帶單極子天線，就其超寬帶天線的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，基于單極子工作原理的超寬帶天線及其拓展結(jié)構(gòu)得到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[3]中討論了三角形結(jié)構(gòu)的單極子。文獻(xiàn)[4]研究了花瓣形單極子結(jié)構(gòu)，使其工程設(shè)計(jì)更具藝術(shù)特色。文獻(xiàn)[5]對(duì)叉形結(jié)構(gòu)的單極子進(jìn)行了分析，其他結(jié)構(gòu)如F形[6]、貓耳形[7]以及一些更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)如分形等也得到研究[8-10]。除了單極子的實(shí)現(xiàn)方式外，研究表明，槽天線也是一種能實(shí)現(xiàn)超寬帶輻射工作的重要結(jié)構(gòu)[11-13]。文獻(xiàn)[14-15]對(duì)平面超寬帶天線及其陷波特性的設(shè)計(jì)等進(jìn)行了綜述?？傮w而言，這類超寬帶天線是邊射式的，而在端射式中，Vavaldi天線是典型代表[16-18]。在UHF通信領(lǐng)域中，也可采用平面超寬帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)良的工作帶寬性能[19]。

對(duì)超寬帶天線而言，在滿足工作性能的同時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，這樣不僅可以降低成本，也使其工作于更魯棒狀態(tài)。本文討論了一種基于有限地共面波導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)超寬帶輻射的槽天線，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剖面低、帶寬大等特點(diǎn)。該天線可以作為基本輻射單元，通過進(jìn)一步集成應(yīng)用于同時(shí)同頻全雙工陣列中。原型樣機(jī)測(cè)試表明，在2.55～26 GHz范圍內(nèi)的駐波比小于2，且在8～18 GHz范圍內(nèi)測(cè)得的方向圖具有較好的一致性。此外，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，表明該天線結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)的有效性。

1 天線結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1所示為所討論的超寬帶槽天線版圖(未示意PCB基板)，其結(jié)構(gòu)為：由一條寬度為wg，外半徑為ro的環(huán)狀導(dǎo)帶及一段總寬度為w，中間距為wf+2g的對(duì)稱導(dǎo)帶構(gòu)成有限地寬度的共面波導(dǎo)金屬地，而所述總寬度為w的對(duì)稱導(dǎo)帶與其中間寬度為wf的導(dǎo)帶一起構(gòu)成有限地共面波導(dǎo)。中間寬度為wf的導(dǎo)帶末端加載一個(gè)半徑為ri的圓形貼片，其中心與半徑為ro的環(huán)狀導(dǎo)帶中心距離為d，而環(huán)狀導(dǎo)帶中心到天線的激勵(lì)端口距離為h。

該結(jié)構(gòu)背面無金屬，電磁波會(huì)形成正反面雙向輻射，但通過在背面適當(dāng)位置加載反射面可形成單向輻射。本文側(cè)重對(duì)其工作原理及結(jié)構(gòu)的有效性進(jìn)行分析與驗(yàn)證，故未引入反射板，也未就目前報(bào)道較多的陷波問題展開討論，但依據(jù)文獻(xiàn)[12]的思想，可實(shí)現(xiàn)陷波功能。

圖1 超寬帶槽天線版圖Fig.1 UWB Slot antenna layout

1.2 工作原理

盡管單極子或者槽天線的工作原理簡(jiǎn)單，但對(duì)具體的天線結(jié)構(gòu)來說，其工作原理的細(xì)節(jié)層面也存在差異，且目前絕大部分超寬帶天線的報(bào)道中，很少對(duì)其工作原理進(jìn)行討論。本文為便于描述，基于圖1將該天線細(xì)分為4個(gè)子區(qū)域，以虛線示意并分別標(biāo)注為區(qū)域，，?，。

首先，來自于激勵(lì)端口的信號(hào)導(dǎo)行在有限地共面波導(dǎo)上，即圖中所示區(qū)域。此時(shí)，電磁場(chǎng)束縛于有限地共面波導(dǎo)中，其電力線自中間導(dǎo)帶指向兩邊地面，為50 Ω?jìng)鬏斁€狀態(tài)。經(jīng)過區(qū)域后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變?yōu)橛邢薜夭劬€，如圖中區(qū)域，且其槽寬由共面波導(dǎo)間的槽轉(zhuǎn)化為變寬度槽。由槽線特性可知，其特性阻抗也由共面波導(dǎo)的50 Ω迅速增大，槽寬變大越激烈，特性阻抗的增大也越明顯，隨后在區(qū)域?中，繼續(xù)延續(xù)這種增加，一直到區(qū)域后，槽寬達(dá)到最大寬度，而此時(shí)其相應(yīng)的特性阻抗也增加到與自由空間的波阻抗相對(duì)應(yīng)。通過這個(gè)過程，完成從共面波導(dǎo)的50 Ω?jìng)鬏斁€到自由空間之間的阻抗變化關(guān)系，即阻抗匹配過程。

其次，作為天線而言，除了阻抗匹配外，還有另一個(gè)重要過程，即時(shí)變電磁能量的輻射過程。對(duì)本研究結(jié)構(gòu)而言，在區(qū)域中，其槽寬最大，而當(dāng)槽寬相應(yīng)于四分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)時(shí)，即構(gòu)成單極子輻射原理。因而，由于本結(jié)構(gòu)中區(qū)域的槽寬最大，對(duì)應(yīng)于最低頻段的輻射，而在區(qū)域?中，其槽寬處于中間大小，故對(duì)應(yīng)于工作頻段的中間段輻射，最后，區(qū)域?qū)?yīng)的槽寬最小，因而對(duì)應(yīng)于高頻段輻射。

以上討論可知，對(duì)于此類天線，其工作原理包括阻抗匹配和能量輻射2個(gè)方面。

2 UWB槽天線設(shè)計(jì)

基于上述討論，設(shè)計(jì)一款有限地共面波導(dǎo)的UWB槽天線，其介質(zhì)基片厚度為0.787 4 mm，相對(duì)介電常數(shù)為εr=2.33。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，其尺寸為：w=14.4,wf=3.9,g=0.25,ri=8.1,ro=22.1,wg=4,d=9.9,h=26.1，其參數(shù)參照?qǐng)D1所示，單位為mm。

設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)相應(yīng)的最大槽寬為19.9 mm。若以有效相對(duì)介電常數(shù)按εr的開方估算，則對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)為121.5 mm，即2.469 GHz。

為驗(yàn)證其輻射原理，觀察低中高3個(gè)頻點(diǎn)上的電場(chǎng)分布特性，如圖2所示。由圖2(a)和圖2(b)可知，在低頻3 GHz上，不管是瞬時(shí)相位為0°或者90°(其對(duì)稱結(jié)果即為180°和270°情況)，在最大槽寬位置的電場(chǎng)均橫跨通過，而沿其他方向盡管也有電場(chǎng)分布，但方向相對(duì)。這說明在3 GHz(即低頻段)的輻射由最大槽寬區(qū)域完成。類似的分析可用于對(duì)中頻段15 GHz以及高頻段25 GHz上的討論，如圖2(c)～圖2(f)所示。

圖2 超寬帶槽天線的電場(chǎng)分布仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of electric field distribution of UWB slot antenna

3 原型樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

上述設(shè)計(jì)的原型天線進(jìn)一步進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)，并在實(shí)物基礎(chǔ)上分別就阻抗匹配和輻射特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖3所示為仿真與實(shí)測(cè)的駐波比。

測(cè)試表明，該天線在2.55 GHz到超過26 GHz范圍內(nèi)的駐波比小于2，表明其超寬帶工作能力，同時(shí)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果間顯示出一致的變化特性。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測(cè)試該原型樣機(jī)的輻射特性。受測(cè)試條件限制，這里僅對(duì)8～18 GHz范圍內(nèi)的方向圖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 駐波比與增益特性實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of measured and simulated results of standing wave ratio and gain characteristics

圖4為8，12，15，18 GHz仿真及測(cè)試得到的歸一化方向圖。由圖4可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真方向圖間顯示出良好的一致性。

圖4 歸一化方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of measured results and simulation results of normalized pattern

以上結(jié)果表明，所研制有限地共面波導(dǎo)槽天線具有超寬帶工作特性，此外，該天線還具有剖面低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

4 集成為同時(shí)同頻全雙工陣列

同時(shí)同頻全雙工陣列是進(jìn)一步提升頻率資源使用效率的重要解決途徑。在同時(shí)同頻全雙工陣列中，收發(fā)通道之間需要具備良好的隔離度[20]。為進(jìn)一步探討該天線作為基本輻射單元在同時(shí)同頻全雙工陣列中的應(yīng)用潛力，提出一種便于工程實(shí)現(xiàn)的拼振方案，以同時(shí)同頻全雙工陣列的一個(gè)通道為例，圖5給出了該陣列結(jié)構(gòu)示意圖。各單元極化方向按圖示依次變化，其端口激勵(lì)相位也依次按90°遞進(jìn)，采用順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)，構(gòu)建圓極化陣列，該陣列可用于同時(shí)同頻全雙工通信及測(cè)運(yùn)控系統(tǒng)中。

圖5 一種基于UWB槽天線的同時(shí)同頻全雙工陣列實(shí)現(xiàn)方案Fig.5 Implementation of a full duplex array with simultaneous and simultaneous frequency based on UWB slot antenna

5 結(jié)束語

本文對(duì)一種基于有限地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的UWB槽天線進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，從基本工作原理角度進(jìn)行闡述，并從全波電磁仿真以及原型樣機(jī)實(shí)驗(yàn)角度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，所討論的UWB槽天線具有剖面低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、帶寬大的特點(diǎn)，顯示出在UWB系統(tǒng)中的應(yīng)用潛能。通過進(jìn)一步集成為天線陣，該天線可作為同時(shí)同頻全雙工陣列的基本輻射單元。