雙頻陷波可調(diào)的超寬帶天線

徐 瓊，范光程，胡延文，嚴(yán)仲明，王 豫

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 611756)

0 引言

由于較好的阻抗匹配、全向的輻射特性及易加工等特點(diǎn)，超寬帶天線備受關(guān)注。自2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)定義3.1～10.6 GHz頻段為民用通信以來(lái)[1]，超寬帶通信系統(tǒng)被廣泛研究。但由于窄帶通信系統(tǒng)占用了超寬帶部分頻段，對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)產(chǎn)生極大的干擾，因此，提出了陷波技術(shù)，如在天線上刻蝕U型縫隙[2]、V型縫隙[3]、開(kāi)口諧振環(huán)(SRR)縫隙[4]、電諧振器(ELC)縫隙[5]及利用缺陷接地結(jié)構(gòu)(DGS)[6]等。而實(shí)際窄帶不一定與所設(shè)計(jì)的陷波頻帶相符，或?qū)嶋H不存在這些窄帶通信的干擾，這都導(dǎo)致不能充分利用超寬帶頻段。為了滿足多模無(wú)線通信和認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用的需求，有必要改變天線的工作模式。因此，需要在陷波超寬帶天線中引入可重構(gòu)技術(shù)。通常利用射頻微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開(kāi)關(guān)[7]、PIN二極管[8]及可變電容等均可實(shí)現(xiàn)天線的可重構(gòu)技術(shù)。

本文提出了一種雙頻陷波可調(diào)諧的超寬帶天線。在接地板上刻蝕“工”字型縫隙拓寬了天線帶寬，得到超寬帶天線；在輻射貼片上加載2個(gè)“C”型縫隙，使超寬帶天線擁有在全球微波互聯(lián)接入(Wimax)、X波段(X-band)頻段的雙頻陷波特性。同時(shí)，為了滿足天線在實(shí)際通信中的需求，在輻射貼片上引入可變電容，實(shí)現(xiàn)了天線高頻陷波頻率在無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、C波段(C-band)的可調(diào)諧以及天線低陷波頻段在WLAN、電信長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)、通用移動(dòng)電信系統(tǒng)(UMTS)之間的可調(diào)諧。最終，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相符。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 單頻與雙頻陷波超寬帶天線的設(shè)計(jì)

超寬帶天線由一個(gè)帶有“工”字型縫隙的方形接地板、阻抗為50 Ω的微帶饋線及圓形輻射貼片組成，其實(shí)物圖如圖1(a)、(b)所示。通過(guò)在輻射貼片上刻蝕第一個(gè)“C”型縫隙，實(shí)現(xiàn)了天線在7.2～7.6 GHz頻段的陷波特性，此單頻陷波超寬帶天線的正面實(shí)物圖如圖1(c)所示。同樣，為了避免3.3～3.6 GHz頻段對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，在單頻陷波超寬帶天線的基礎(chǔ)上刻蝕第二個(gè)“C”型縫隙，得到雙頻陷波超寬帶天線，該雙頻陷波超寬帶天線的正面實(shí)物圖如圖1(d)所示。陷波頻率為

(1)

式中：c=3×108m/s為光速；εr為介質(zhì)基底的相對(duì)介電常數(shù)；L為縫隙的總長(zhǎng)度。本文的2個(gè)縫隙長(zhǎng)度最初值均由式(1)計(jì)算得出。

圖1 3種天線的實(shí)物圖

1.2 雙頻陷波可調(diào)超寬帶天線的設(shè)計(jì)

圖2為雙頻陷波可調(diào)超寬帶天線的結(jié)構(gòu)尺寸圖。天線的整體尺寸為35 mm×38 mm，F(xiàn)R4介質(zhì)板的介電常數(shù)為4.3，厚為1.6 mm，介質(zhì)損耗為0.025。如圖2(a)、(b)所示，電容C1、C2分別橫跨在縫隙中心處。其中，C1被加在靠近饋線的小縫隙上，C2被加在另一個(gè)大縫隙上。通過(guò)改變電容值，調(diào)節(jié)陷波頻帶以適應(yīng)實(shí)際通信需求。天線的實(shí)際尺寸如圖2(a)、(d)、(e)所示。

圖2 雙頻陷波可調(diào)超寬帶天線的結(jié)構(gòu)尺寸圖

2 仿真及其測(cè)量結(jié)果

2.1 單頻和雙頻陷波超寬帶天線結(jié)果

為了分析天線的性能，利用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent E8364A)測(cè)量天線的回波損耗。圖3為超寬帶天線回波損耗的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖。其中，仿真得到的超寬帶天線工作頻段為2.75～11.69 GHz，實(shí)測(cè)結(jié)果為3.10～11.95 GHz。由于天線加工精度及天線仿真與實(shí)驗(yàn)時(shí)介質(zhì)板的介電常數(shù)存在誤差，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果存在偏差。

圖3 超寬帶天線的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

為了實(shí)現(xiàn)天線能在Wimax頻段產(chǎn)生阻帶，利用式(1)設(shè)計(jì)并優(yōu)化了縫隙長(zhǎng)度L1尺寸，L1=13.1 mm。圖4為單頻陷波超寬帶天線的回波損耗仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，阻帶的頻段為3.29～3.84 GHz，覆蓋了Wimax頻段。

圖4 單頻陷波超寬帶天線的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

基于單頻陷波超寬帶天線的設(shè)計(jì)，通過(guò)加載第二個(gè)半波長(zhǎng)“C”型縫隙，實(shí)現(xiàn)了雙頻陷波超寬帶天線，其縫隙長(zhǎng)度L2的優(yōu)化設(shè)計(jì)值為27.8 mm。圖5為仿真與實(shí)測(cè)的回波損耗對(duì)比結(jié)果。實(shí)測(cè)的雙頻阻帶頻段分別為3.33～4.09 GHz和6.88～7.98 GHz。

圖5 雙頻陷波超寬帶天線仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

圖6為天線在阻帶中心頻率的表面電流分布。由圖6(a)可知，電流主要分布在遠(yuǎn)離饋線的大縫隙上。由圖6(b)可知，電流主要分布在靠近饋線的小縫隙上,這說(shuō)明天線電流分布受阻帶頻率對(duì)應(yīng)縫隙的影響，改變對(duì)應(yīng)縫隙的等效參數(shù)能有效地控制阻帶中心頻率。

圖6 雙頻陷波超寬帶天線的電流分布圖

2.2 雙頻陷波可調(diào)超寬帶天線結(jié)果

將電容C1加在靠近饋線的小縫隙對(duì)稱中心上，而遠(yuǎn)離饋線的大縫隙對(duì)稱中心上不加電容，帶有C1的天線結(jié)構(gòu)圖如圖2(a)所示。圖7為在不同C1下，天線回波損耗的仿真對(duì)比圖。由圖可知，隨著C1的增加，高頻阻帶的中心頻率逐漸向低頻移動(dòng)。C1對(duì)低頻阻帶基本不產(chǎn)生影響，這說(shuō)明加載C1只影響高頻阻帶的頻率。因?yàn)镃1加載在小縫隙的對(duì)稱中心上，輻射貼片上刻蝕小縫隙是產(chǎn)生高頻阻帶的主要原因，所以，C1只影響該天線的高頻阻帶。當(dāng)C1分別為0.3 pF、0.4 pF、0.5 pF時(shí)，高頻阻帶的中心頻率分別為5.5 GHz、5.2 GHz、4.85 GHz，其回波損耗的最大值分別為-2.13 dB、-1.93 dB、-1.75 dB。表1為該雙頻陷波超寬帶天線通過(guò)調(diào)節(jié)C1得到的3種模式。即通過(guò)調(diào)節(jié)C1，天線能選擇性地避免在WLAN(5.47～5.725 GHz), WLAN(5.15～5.35 GHz)以及C-band(4.5～4.9 GHz)3個(gè)窄帶中受到電磁干擾，最終滿足實(shí)際通信需求。圖8為不同C1下天線回波損耗的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖。由圖可知，高頻阻帶的中心頻率分別是5.62 GHz、5.22 GHz、4.96 GHz。

模式固定頻率/ GHz可調(diào)頻率/ GHz模式1 (C1=0.3 pF)3.5(Wimax)5.50(WLAN)模式2 (C1=0.4 pF)3.5(Wimax)5.20(WLAN)模式3 (C1=0.5 pF)3.5(Wimax)4.85 (C-band)

圖8 不同C1值下天線回波損耗的實(shí)測(cè)對(duì)比圖

將C2加在遠(yuǎn)離饋線的大縫隙對(duì)稱中心上，而靠近饋線的小縫隙對(duì)稱中心上不加電容，圖2(b)為加載電容C2的天線結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為不同C2值下雙頻陷波超寬帶天線回波損耗的仿真對(duì)比圖。隨著C2逐漸減小，低頻阻帶的中心頻率逐漸向高頻移動(dòng)，且高頻阻帶中心頻率保持不變。當(dāng)C2分別為1 pF、1.2 pF、1.5 pF時(shí)，低頻阻帶的中心頻率分別為2.45 GHz、2.33 GHz、2.18 GHz，回波損耗的最大值分別為-1.98 dB、-1.72 dB、-1.46 dB。表2為該雙頻陷波超寬帶天線通過(guò)改變C2調(diào)節(jié)低頻阻帶的3種模式。通過(guò)調(diào)節(jié)C2，使天線選擇性地在WLAN-2450、LTE-2300或UMTS-2100頻段不工作。圖10為不同C2下天線回波損耗的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖。由圖可知，低頻阻帶的中心頻率分別為2.31 GHz、2.17 GHz、2.02 GHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。

圖9 不同C2下天線回波損耗的仿真對(duì)比圖

模式固定頻率/ GHz可調(diào)頻率/ GHz模式1 (C2=1.0 pF)7.3(X-band)2.45(WLAN)模式2 (C2=1.2 pF)7.3(X-band)2.33(LTE-2300)模式3 (C2=1.5 pF)7.3(X-band)2.18(UMTS-2100)

圖10 不同的C2值下天線回波損耗的實(shí)測(cè)對(duì)比圖

圖11為搭建的天線測(cè)試平臺(tái)。圖12為雙頻陷波超寬帶天線的增益方向圖。該天線在2 GHz、4 GHz、6 GHz、9 GHz的最大增益分別為0.96 dB、1.74 dB、3.67 dB、4.04 dB。天線具有較好的全向輻射特性。

圖11 天線測(cè)試平臺(tái)

圖12 實(shí)測(cè)的天線增益方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種雙頻陷波可調(diào)的超寬帶天線?？涛g的“C”型縫隙使超寬帶天線擁有Wimax(3.3～3.6 GHz)與X-band(7.2～7.6 GHz)的雙頻陷波特性。天線的可調(diào)諧功能是通過(guò)在兩縫隙上各自加載可變電容實(shí)現(xiàn)。通過(guò)單獨(dú)改變電容C1值，天線的陷波特性可以在WLAN(5.47～5.725 GHz), WLAN(5.15～5.35 GHz)以及C-band(4.5～4.9 GHz)3個(gè)模式間切換。同理，通過(guò)單獨(dú)改變另一個(gè)縫隙上電容C2的值，可實(shí)現(xiàn)人為選擇阻帶以避免電磁干擾，使天線不工作在WLAN-2450、LTE-2300或UMTS-2100頻段。所設(shè)計(jì)的天線具有較好的全向輻射特性，滿足天線在通信上的實(shí)用性。