張 杰，劉宇峰，趙明霞

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

0 引 言

近些年來(lái)，超寬帶天線以其制作簡(jiǎn)單、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)在無(wú)線通信中得到了廣泛的應(yīng)用[1]. 聯(lián)邦通訊委員會(huì)為超寬帶天線系統(tǒng)分配的頻率范圍是3.1 GHz～10.6 GHz[2]，而超寬帶天線作為一種特殊的天線，帶寬比較寬，所以可能有特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)對(duì)天線造成干擾[3]，故而需要在超寬帶系統(tǒng)的頻率范圍內(nèi)形成特定頻率范圍的陷波頻段[4,5]. 例如，在微波接入WiMAX頻段和無(wú)線局域網(wǎng)WLAN頻帶內(nèi)形成陷波，以阻止這兩個(gè)頻段內(nèi)的信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行干擾. 為了解決上述問(wèn)題，研究者引入了一種新型的結(jié)構(gòu)，即高阻抗表面結(jié)構(gòu)(High impedance surface, HIS)[6,7].

高阻抗表面結(jié)構(gòu)是一種表面波在特定頻率范圍內(nèi)無(wú)法傳播的結(jié)構(gòu)，其中的特定頻率范圍叫做高阻抗表面的帶隙頻率范圍，在帶隙頻率范圍內(nèi)可以有效地避免表面波對(duì)微波天線系統(tǒng)造成的不良影響. 常見(jiàn)的高阻抗表面結(jié)構(gòu)有波紋表面結(jié)構(gòu)、凹凸表面結(jié)構(gòu)、蘑菇型表面結(jié)構(gòu)、可調(diào)諧式阻抗表面結(jié)構(gòu)等. 可以用來(lái)消除或減弱平面電路中的表面波，而減少互耦、改善天線性能，實(shí)現(xiàn)諧振器或波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)濾波器、移相器功能等，故而本文考慮在一種傳統(tǒng)的天線中引入高阻抗表面結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)天線緊湊性，并使得天線在特定的頻率范圍內(nèi)形成陷波[8,9].

本文在單極子貼片天線的微帶饋線兩側(cè)添加開(kāi)阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)縫隙[10]的蘑菇型高阻抗表面單元[11]，使得天線在WiMAX頻段形成陷波，單元尺寸相對(duì)傳統(tǒng)的高阻抗表面結(jié)構(gòu)縮小了55.2%，增加了結(jié)構(gòu)的緊湊性；再將饋線左側(cè)的高阻抗表面結(jié)構(gòu)尺寸縮小為右側(cè)結(jié)構(gòu)的69%，成功地實(shí)現(xiàn)了天線在WLAN頻段和WiMAX頻段形成雙陷波.

1 基于開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子貼片天線設(shè)計(jì)

圖1 所示為高阻抗表面單元結(jié)構(gòu)，深色部分為上層金屬貼片及下層接地板，淺色部分為介質(zhì)，無(wú)色部分為過(guò)孔.

圖1 高阻抗表面單元結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of HIS unit cell

圖2 為高阻抗表面結(jié)構(gòu)的等效電路圖.L由流過(guò)中間過(guò)孔的電流產(chǎn)生，C由相鄰貼片的間隙效應(yīng)引起. 在等效模式下，高阻抗表面的阻抗理解為電容電感并聯(lián)諧振(LC并聯(lián)諧振)阻抗. 高阻抗表面的阻抗特性為： 在低于諧振頻率處，高阻抗表面的表面阻抗為正，阻抗值是感性；在高于諧振頻率處，高阻抗表面的表面阻抗值為負(fù)，阻抗值是容性. 故在低于諧振頻率時(shí)，高阻抗表面支持TM模式下的表面波，在高于諧振頻率時(shí)，支持TE模式下的表面波. 在實(shí)際中，高阻抗表面單元結(jié)構(gòu)的諧振頻率附近范圍存在著帶隙頻段，在此帶隙頻段內(nèi)，它不支持TM模式及TE模式下表面波的傳播，所有的表面波都被抑制.

圖2 高阻抗表面結(jié)構(gòu)的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of HIS structure

為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，本節(jié)在高阻抗表面單元上蝕刻阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)縫隙. 圖3 為加載開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子貼片天線的結(jié)構(gòu)圖，圖中深色區(qū)域?yàn)閳A形金屬貼片和微帶饋線，以及下層的矩形金屬地. 淺色區(qū)域?yàn)榻橘|(zhì)基板，厚度為2 mm. 阿基米德螺旋線距離高阻抗表面中間過(guò)孔圓心的距離為0.65 mm，相鄰螺旋線之間的距離為0.13 mm，線寬為0.3 mm，需要旋轉(zhuǎn)的角度為570°. 優(yōu)化之后的其他各結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示. 天線采用SMA同軸饋電，天線的結(jié)構(gòu)尺寸為45 mm×50 mm.

圖3 加載開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Configuration of a circular monopole antennawith slotted HIS

表1 加載開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子貼片天線結(jié)構(gòu)參數(shù)值Tab.1 Geometrical parameter values of circular monopolepatch antenna with slotted HIS.

等效電路圖如圖4 所示，高阻抗表面結(jié)構(gòu)和微帶饋線之間的間隙用電容C0表示，高阻抗表面結(jié)構(gòu)與地之間電容用C1表示，高阻抗表面中間過(guò)孔的電感用L1表示，開(kāi)槽后在高阻抗表面單元上形成的電感用L2表示. 相當(dāng)于高阻抗表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)排斥帶，等效為一個(gè)串聯(lián)諧振與天線并聯(lián). 天線的諧振頻率可以寫(xiě)成如下公式

圖4 加載開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit of circular monopoleantenna with slotted HIS

圖5 為加載開(kāi)槽高阻抗表面結(jié)構(gòu)的圓形單極子貼片天線在3.5 GHz和5.5 GHz處電流分布圖. 可以看出電流在3.5 GHz處主要集中在高阻抗表面結(jié)構(gòu)中，圓形輻射貼片上集中的電流很少，所以高阻抗表面單元在3.5 GHz處形成了一個(gè)陷波. 而在5.5 GHz處，電流主要分布在微帶饋線和圓形輻射貼片上，所以天線在此頻率下有很好的輻射性能，沒(méi)有產(chǎn)生陷波.

圖5 加載開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線電流分布圖Fig.5 Surface current distribution of circular monopoleantenna with slotted HIS

圖6 為開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線實(shí)物圖. 圖7為開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線的駐波比仿真和測(cè)量圖. 結(jié)果顯示開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線在3.1 GHz～3.94 GHz頻率范圍內(nèi)，說(shuō)明對(duì)高阻抗表面進(jìn)行阿基米德螺旋線開(kāi)槽后，天線會(huì)在此頻率范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的幅值缺口，從而天線會(huì)在WiMAX頻段內(nèi)形成陷波. 高阻抗表面單元的尺寸為5.2 mm，與未開(kāi)槽高阻抗表面單元的尺寸相比縮小了55.2%，說(shuō)明給高阻抗表面結(jié)構(gòu)開(kāi)槽，即使用電感增強(qiáng)的高阻抗表面結(jié)構(gòu)后，需要的高阻抗表面單元尺寸大大地縮小，實(shí)現(xiàn)了高阻抗表面單元的緊湊性的要求.

圖6 加載開(kāi)槽高阻抗表面單元的圓形單極子貼片天線實(shí)物圖Fig.6 Fabricated prototype of circular monopole patchantenna with slotted HIS unit cell

圖7 加載開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線的駐波比仿真與測(cè)量圖Fig.7 Measured and simulated VSWR of circular monopoleantenna with slotted HIS

圖8 和圖9 分別為d1和r1的值對(duì)陷波頻帶的影響. 結(jié)果顯示，d1的值在0.1 mm～0.4 mm范圍內(nèi)，隨著d1的增大，頻帶的寬度逐漸減小，駐波比的峰值也逐漸減小，頻帶向高頻移動(dòng)；r1的值在0.2 mm～0.8 mm范圍內(nèi)，隨著r1的增大，頻帶的寬度基本不變，駐波比的峰值的變化比較小，頻帶會(huì)向高頻移動(dòng)，而且在r1=0.8 mm時(shí)，天線的陷波效果發(fā)生惡化，陷波頻帶也不在WiMAX頻段范圍內(nèi).

圖8 加載開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線在不同d1值的駐波比隨頻率變化曲線Fig.8 VSWR versus frequency of circular monopole antennawith slotted HIS at different d1

圖9 加載開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線在不同r1值的駐波比隨頻率變化曲線Fig.9 VSWR versus frequency of circular monopole antennawith slotted HIS at different r1

2 基于不對(duì)稱(chēng)新型高阻抗表面的圓形單極子貼片天線設(shè)計(jì)

本節(jié)是在上一節(jié)的基礎(chǔ)上對(duì)開(kāi)槽高阻抗表面進(jìn)一步地改進(jìn). 通過(guò)在微帶饋線兩邊加載尺寸不同的開(kāi)槽高阻抗表面，使天線可以在WLAN頻段和WiMAX頻段形成雙陷波. 改進(jìn)型開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線的結(jié)構(gòu)如圖10 所示. 與上一節(jié)結(jié)構(gòu)比較，改變之處是將左邊開(kāi)槽高阻抗表面進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的縮小，縮小倍數(shù)k經(jīng)優(yōu)化后定為0.69，天線的結(jié)構(gòu)尺寸為45 mm×50 mm.

圖10 加載不對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure of circular monopole antenna withasymmetric slotted HIS

圖11 為加載不對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽高阻抗表面結(jié)構(gòu)的圓形單極子貼片天線在3.5 GHz和5.5 GHz處電流分布圖. 可以看出在3.5 GHz處電流集中在右邊的高阻抗表面結(jié)構(gòu)，圓形輻射貼片上幾乎沒(méi)有電流，說(shuō)明右邊高阻抗表面單元在3.5 GHz處形成了一個(gè)陷波. 同理，在5.5 GHz處的電流分布在左邊的高阻抗表面，同樣形成了一個(gè)陷波.

圖11 加載不對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線電流分布圖Fig.11 Surface current distribution of circular monopole antennawith asymmetric slotted HIS

如圖12 為不對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線實(shí)物圖. 圖13 為不對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線的駐波比仿真和測(cè)量圖. 結(jié)果顯示，不對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽高阻抗表面單元的圓形單極子貼片天線在3.3 GHz～3.8 GHz頻率范圍和5.15 GHz～5.8 GHz頻率范圍內(nèi)，說(shuō)明不對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線會(huì)在WiMAX頻段內(nèi)和WLAN頻段內(nèi)都形成陷波.

圖12 加載不對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線實(shí)物圖Fig.12 Fabricated prototype of circular monopole patch antennawith asymmetric slotted HIS

圖13 加載不對(duì)稱(chēng)開(kāi)槽高阻抗表面的圓形單極子天線的駐波比仿真與測(cè)量圖Fig.13 Measured and simulated VSWR of circular monopoleantenna with asymmetric slotted HIS

3 結(jié) 語(yǔ)

本文第一部分通過(guò)在單極子貼片天線的微帶饋線兩側(cè)添加蝕刻阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)縫隙的高阻抗表面單元，實(shí)現(xiàn)了天線在WiMAX頻段形成陷波，與未開(kāi)槽的高阻抗表面結(jié)構(gòu)相比，尺寸縮小了55.2%，大大提升了結(jié)構(gòu)的緊湊性. 第二部分又對(duì)饋線左邊的高阻抗表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體縮小，尺寸相對(duì)右側(cè)結(jié)構(gòu)縮小了31%，并且實(shí)現(xiàn)了天線在WLAN頻段和WiMAX頻段形成雙陷波. 仿真與測(cè)試結(jié)果取得了良好的一致性. 這些研究證明了高阻抗表面結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)陷波天線上的可行性，為超寬帶陷波天線的設(shè)計(jì)提供了一種行之有效的方法，具有實(shí)際意義.