董 健 胡國強(qiáng) 徐 曦 施榮華

1 引言

超寬帶（UltraWide Band, UWB）技術(shù)自上世紀(jì)的中期出現(xiàn)以來，從最初的軍事用途發(fā)展為民用經(jīng)歷了一個(gè)漫長但具有突破性的過程。自2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)通過了允許將超寬帶技術(shù)應(yīng)用于民用通信的規(guī)范，并劃分了 3.1～10.6 GHz的工作頻帶，超寬帶技術(shù)得以迅速發(fā)展[1]。相較于一般的窄帶系統(tǒng)，超寬帶技術(shù)具有許多優(yōu)勢，如超寬的信號(hào)傳輸帶寬，較低的發(fā)射功耗以及高數(shù)據(jù)傳輸速率等[2]，因此具有非常廣闊的發(fā)展前景。由于超寬帶系統(tǒng)工作頻帶極寬，與其他窄帶系統(tǒng)往往存在頻譜重疊，如 3.3～3.6 GHz的 無 線 城 域 網(wǎng) （Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMax）頻段，5.1-5.9 GHz的無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks, WLAN）頻段和7.25～7.75 GHz的X頻段衛(wèi)星下行信號(hào)等。為了降低不同通信系統(tǒng)間的相互干擾，具有頻帶阻隔特性的陷波超寬帶天線[3,4]設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn)。

陷波超寬帶天線最初由美國 Schantz等人[5]于2003年提出，可以通過引入寄生單元[6,7]、分形結(jié)構(gòu)[8]、調(diào)諧枝節(jié)[9,10]、開槽[11,12]等方式實(shí)現(xiàn)。這些方式中，開槽結(jié)構(gòu)由于其實(shí)現(xiàn)比較簡單，且對工作頻帶內(nèi)的阻抗匹配影響較小，因而獲得廣泛應(yīng)用。開槽形狀各異，如直線形槽、V形槽、U形槽等，但它們的共同原理都是改變天線表面電流的分布，從而達(dá)到頻率阻隔的效果。例如文獻(xiàn)[11]中通過在輻射貼片上開C形槽，同時(shí)在接地板上開細(xì)長縫隙以形成陷波結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的帶寬比較寬，陷波特性良好。文獻(xiàn)[12]提出了一種在矩形天線一側(cè)開一條窄縫，并在輻射貼片中心引入一倒U 形槽的微帶線饋電超寬帶天線，該天線在5～5.9 GHz 實(shí)現(xiàn)了陷波。文獻(xiàn)[13]提出了一種可重構(gòu)的超寬帶天線，該天線在微帶饋電線和輻射貼片開槽，同時(shí)輻射貼片上的回形槽由兩個(gè)二極管連通并通過控制兩個(gè)二極管的狀態(tài)使天線實(shí)現(xiàn)單陷波與雙陷波的切換。這些設(shè)計(jì)方案中，有的不能同時(shí)屏蔽多個(gè)窄帶系統(tǒng)的影響，有的線性槽可調(diào)節(jié)參數(shù)比較少，有的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，這些因素使得陷波中心頻率的調(diào)整控制方式不夠靈活。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種三陷波超寬帶天線，在輻射貼片和接地板上分別開H和L形槽，同時(shí)在天線背面添加環(huán)形寄生單元實(shí)現(xiàn)三陷波特性。進(jìn)一步地，通過在寄生單元處增加開關(guān)設(shè)置實(shí)現(xiàn)雙/三陷波的功能切換，并增強(qiáng)陷波性能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明該三陷波超寬帶天線具有良好的陷波功能和超寬帶工作特性。

2 三陷波超寬帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為雙陷波超寬帶天線[14]的結(jié)構(gòu)，通過分別在圓形輻射貼片和接地板上開一個(gè)帶圓弧邊的H形槽和兩條寬度為0.2 mm的L形槽實(shí)現(xiàn)雙陷波特性，避免來自WiMax及WLAN通信系統(tǒng)信號(hào)的干擾。RH為圓弧的半徑大小，LH0為內(nèi)外圓弧的半徑之差，LH1為連接兩弧槽口的寬度，α為弧形與水平線的夾角。仿真優(yōu)化后確定的雙陷波超寬帶天線各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。相對于線形槽，這種開槽結(jié)構(gòu)可以通過槽參數(shù)組合的形式更有效地控制陷波中心頻率。L形槽的長度可以通過半波長諧振原理得到，當(dāng)槽長度設(shè)置為陷波中心頻率對應(yīng)波導(dǎo)波長一半時(shí)，相當(dāng)于在對應(yīng)中心頻率點(diǎn)引入諧振器，天線工作于此頻率點(diǎn)附近時(shí)，表面電流將會(huì)集中在槽口周圍，造成阻抗失配而形成陷波。陷波中心頻率與槽長度的關(guān)系

式中，c為光速， fn為陷波的中心頻率，在WLAN頻段中設(shè)為5.6 GHz, L為兩個(gè)L形槽長度l的和。εe為有效介電常數(shù)，設(shè)εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，兩者之間關(guān)系為

代入?yún)?shù)，計(jì)算得到L為12.75 mm。

圖1 雙陷波超寬帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

該天線實(shí)現(xiàn)了3.3～3.6 GHz和5.1～5.9 GHz兩個(gè)頻帶內(nèi)的陷波特性，能夠避免來自 WiMax和WLAN窄帶系統(tǒng)的信號(hào)干擾。為屏蔽來自 X頻段7.25-7.75 GHz衛(wèi)星下行信號(hào)的干擾，在該雙陷波超寬帶天線的基礎(chǔ)上，在基板背面增加一個(gè)環(huán)形的寄生單元（如圖 2所示），從而增加一個(gè)阻帶使天線實(shí)現(xiàn)三陷波功能。將環(huán)形單元的寬度W2設(shè)定為1 mm，陷波的中心頻率設(shè)定為 7.4 GHz，根據(jù)半波長諧振原理，環(huán)長Rr通過式（1）計(jì)算得Rr=9.65 mm。在三陷波天線的基礎(chǔ)上進(jìn)行陷波的可控性設(shè)計(jì)，目的是將天線高頻部分的陷波功能設(shè)計(jì)為具有開關(guān)特性。為此，采用添加環(huán)形寄生單元的開關(guān)作為控制部件，通過改變環(huán)形寄生單元長度來控制第3個(gè)陷波的中心頻率。當(dāng)該陷波中心頻率處于原雙陷波超寬帶天線兩個(gè)陷波中心頻率中的任何一個(gè)附近時(shí)，陷波效果因?yàn)榀B加而得到增加。當(dāng)該陷波中心頻率不在3.1～10.6 GHz范圍時(shí)，仍然為雙陷波超寬帶天線。將寄生單元長度設(shè)計(jì)為開關(guān)形式，能夠方便地實(shí)現(xiàn)雙陷波與三陷波之間的切換，從而達(dá)到可控性設(shè)計(jì)的目的。

3 陷波特性及可控性分析

圖3為三陷波超寬帶天線的回波損耗曲線與超寬帶天線回波損耗曲線的對比圖。從圖3中可以看出三陷波超寬帶天線在頻率為3.6 GHz, 5.6 GHz和7.4 GHz附近回波損耗曲線出現(xiàn)峰值且滿足 S11＞-10 dB，此時(shí)三陷波超寬帶天線在以上3個(gè)中心頻率點(diǎn)附近形成3個(gè)阻帶，這3個(gè)阻帶能有效避免來自WiMax, WLAN和X頻段衛(wèi)星系統(tǒng)的信號(hào)干擾。

圖2中，在天線背面用于產(chǎn)生高頻陷波的寄生單元處，增加一個(gè)開關(guān) 1和開關(guān) 2。開關(guān)的環(huán)長根據(jù)半波長諧振原理計(jì)算，設(shè)添加開關(guān)后的寄生環(huán)總長度為R, f3為第3個(gè)陷波的中心頻率，由式（3）：

表1 雙陷波超寬帶天線參數(shù)尺寸（mm）

圖2 可控三陷波超寬帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

計(jì)算開關(guān)長度R。當(dāng)R取值不同時(shí)得到不同的f3，從而實(shí)現(xiàn)第3個(gè)陷波中心頻率的改變。這里設(shè)置開關(guān)1長度為3.1 mm，開關(guān)2長度為10.75 mm。

當(dāng)開關(guān) 1，開關(guān) 2均斷開時(shí)，天線和未改造的三陷波超寬帶天線沒有區(qū)別，實(shí)現(xiàn)三陷波的功能。當(dāng)開關(guān)1閉合時(shí)，環(huán)形寄生單元的長度由原來的9.65 mm增加為12.75 mm，陷波中心頻率變?yōu)?.6 GHz，天線在高頻處陷波功能消失。同理，當(dāng)開關(guān)2閉合時(shí)，環(huán)形寄生單元的長度由原來的9.65 mm增加為20.4 mm，陷波中心頻率變?yōu)?.5 GHz，天線在高頻處陷波功能消失。當(dāng)開關(guān) 1，開關(guān) 2均閉合時(shí)，環(huán)形的總長度為23.5 mm，產(chǎn)生的陷波中心頻率為3 GHz，該頻率在超寬帶工作頻段之外。開關(guān)狀態(tài)與天線阻帶范圍的對應(yīng)關(guān)系見表2。

對三陷波超寬帶天線進(jìn)行開關(guān)設(shè)計(jì)不僅能實(shí)現(xiàn)高頻段陷波功能的自由控制，而且可增強(qiáng)原來的雙陷波功能。圖 4為三陷波天線加入了開關(guān)設(shè)置且開關(guān)1閉合后的雙陷波特性與原雙陷波超寬帶天線的陷波功能對比。從圖中可以看到，加入開關(guān)設(shè)置后，天線在中頻的陷波功能更強(qiáng)，阻帶的部分曲線更為陡峭，峰值較原雙陷波超寬帶天線更高，這說明天線的頻率阻斷效果更為明顯。造成該現(xiàn)象的原因是開關(guān)1閉合，環(huán)形長度改變引起陷波頻段的改變，兩個(gè)同一阻帶的陷波結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疊加作用，這樣天線在中頻（5.1～5.9 GHz）的陷波功能加強(qiáng)。同理，開關(guān)2通過改變環(huán)形寄生單元的長度，使低頻（3.3～3.6 GHz）陷波功能得到增強(qiáng)。總之，加入開關(guān)設(shè)置后，不僅實(shí)現(xiàn)了陷波功能的實(shí)時(shí)控制性，同時(shí)在該天線實(shí)現(xiàn)雙陷波功能時(shí)，比原來的陷波性能有所提高。

表2 開關(guān)狀態(tài)與天線阻帶范圍的對應(yīng)關(guān)系

4 實(shí)測結(jié)果分析

根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)制作天線實(shí)物。天線印制在介電常數(shù)為4.4厚度為1.6 mm的FR-4板上，這里開關(guān)采取等效結(jié)構(gòu)，直接使用不同長度的環(huán)形寄生單元實(shí)現(xiàn)表2中的不同工作狀態(tài)。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線實(shí)物測試，圖5為三陷波超寬帶天線回波損耗的仿真與實(shí)際測量結(jié)果。實(shí)測曲線與仿真曲線基本吻合，實(shí)測與仿真結(jié)果之間的細(xì)微差別可能由制造精度或天線轉(zhuǎn)接頭的損耗引起。從圖5可以看出，在3.1～10.6 GHz頻帶范圍內(nèi)天線分別在3.6 GHz, 5.6 GHz和7.4 GHz頻點(diǎn)附近產(chǎn)生陷波從而形成3個(gè)阻帶。圖6為三陷波超寬帶天線的實(shí)測增益圖，天線在通帶內(nèi)增益保持在3～5 dBi上下，而在阻帶內(nèi)增益則下降至-4 dBi左右。這說明天線在通帶內(nèi)能夠正常工作，而在阻帶內(nèi)由于增益不足無法正常工作。

圖3 三陷波超寬帶天線的回波損耗

圖4 開關(guān)1閉合時(shí)可控三陷波超寬帶天線 與原雙陷波超寬帶天線的陷波功能對比

圖5 三陷波超寬帶天線 的實(shí)測結(jié)果

圖6 三陷波超寬帶天線的增益

圖7 為該天線分別在3.2 GHz, 5 GHz, 6.8 GHz以及8.5 GHz頻率點(diǎn)的遠(yuǎn)場輻射方向圖，這4個(gè)頻率點(diǎn)分別處于2.9～3.3 GHz, 3.8～5.1 GHz, 6～7.2 GHz, 7.8～10.6 GHz 4個(gè)通帶內(nèi)。從圖中可知，天線 H 面（xz-平面）輻射方向圖都為橢圓形，E面（yz-平面）輻射方向圖都呈“8”字形。實(shí)測輻射方向圖與仿真方向圖基本吻合，這些方向圖說明該天線在4個(gè)通帶內(nèi)輻射特性良好，滿足超寬帶通信的要求。

圖7 三陷波超寬帶天線的輻射方向圖

5 結(jié)論

本文提出一種具有可控三陷波特性的超寬帶天線，該天線通過分別在圓形輻射貼片和接地板上開圓弧狀H形槽及兩個(gè)L形槽，同時(shí)在基板背面添加環(huán)形寄生單元來實(shí)現(xiàn)可控三陷波特性。對天線環(huán)形寄生單元進(jìn)行了開關(guān)設(shè)計(jì)，通過研究表明，開關(guān)的使用能夠?qū)⑻炀€進(jìn)行雙/三陷波的切換，當(dāng)天線工作在雙陷波狀態(tài)時(shí)陷波功能得到了增強(qiáng)。仿真與實(shí)測結(jié)果表明該天線具備良好的陷波特性和輻射特性。

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