南敬昌,王 宛,高明明,程力

(遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院,遼寧 葫蘆島 125105)

超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)系統(tǒng)具有數據傳輸速率高、功耗低等優(yōu)點,廣泛應用于短距離無線通信和個人局域網等領域。超寬帶天線作為超寬帶系統(tǒng)中至關重要的一個組件,其性能的優(yōu)劣直接影響到整個超寬帶系統(tǒng)性能的優(yōu)劣,而可重構超寬帶天線相較于傳統(tǒng)的超寬帶天線具有眾多無法比擬的優(yōu)勢,因此可重構超寬帶天線的研究成為了各研究所和高校的研究熱點。

隨著2002 年美國聯邦通信委員會(FCC)將3.1～10.6 GHz 的頻段劃分為民用通信領域后,超寬帶技術和超寬帶天線得到了快速的發(fā)展和廣泛的應用[1-4],如使用超寬帶技術進行的導航測距[5]、室內定位[6]和室內導航[7]等。

由于在UWB 通信系統(tǒng)的工作頻帶中有多個窄帶通信系統(tǒng)占用,例如WLAN 頻段陷波、衛(wèi)星X 波段下行頻段等,為了控制窄帶通信系統(tǒng)對UWB 通信系統(tǒng)的干擾,Schaubert 提出了“可重構天線” 的概念[8]。

可重構天線主要可分為頻率可重構、方向圖可重構、極化可重構和混合可重構[9],目前主要采用PIN二極管[10]、變容二極管[11]和MEMS 開關[12]來實現天線的可重構特性。

文獻[10]在由帶有倒角的矩形接地板、橢圓形輻射貼片和50 Ω 微帶饋線組成的超寬帶單極子天線的基礎上,在50 Ω 微帶饋線的兩側加載窄帶帶通濾波器并在窄帶帶通濾波器和微帶饋線之間及微帶饋線中加載PIN 二極管,設計了一款可應用于UWB/WLAN 的可重構濾波天線,但該天線尺寸較大,結構復雜,不易集成設計;文獻[13]通過改進矩形接地板拓寬了單極子天線的阻抗帶寬(3～13.8 GHz),在輻射貼片開槽和在微帶饋線開U 型槽分別實現了WiMAX 和WLAN 頻段的陷波,并在兩個陷波頻段結構處添加PIN 二極管,通過控制PIN 二極管的通斷設計了一款應用于UWB的可調雙陷波的可重構單極子天線;文獻[14]在由吉他形狀的輻射貼片和帶有矩形槽的倒角矩形接地平面組成的超寬帶天線(阻抗帶寬為3.36～39.61 GHz)的基礎上,使用PIN 二極管在輻射貼片上生成了三個可濾除WiMAX、WLAN 和衛(wèi)星X 波段下行頻段的帶阻濾波器,形成了一款三陷波可重構超寬帶天線,該天線結構雖然簡單,但文獻中未給出PIN 二極管的偏置電路設計方法。

本文提出了一款尺寸為30 mm×30 mm×1 mm 的可重構陷波超寬帶天線,通過在微帶饋線的兩側引入不同長度的L 型開路枝節(jié)可實現在WLAN 和衛(wèi)星X 波段下行頻段處的陷波,通過控制PIN 二極管的通/斷可使天線工作在超寬帶頻段(3.1～11 GHz)、WLAN 頻段陷波、衛(wèi)星X 波段下行頻段陷波和雙陷波4 種模式。仿真與實測表明,所設計的可重構天線在通頻帶內具有較好的輻射特性,可用于短距離高速無線通信、無線個人局域網和高精度超寬帶測距與定位等。

1 頻率可重構天線設計

1.1 超寬帶天線設計

超寬帶天線結構如圖1 所示,該結構共分為3 層:上層由半橢形輻射單元和寬度為Wf的50 Ω 微帶饋線組成,半橢形輻射單元由邊長為2a的等邊三角形、半徑為r的半圓形和半徑為R的扇形組成;中間層為厚度為1 mm,相對介電常數為4.4,損耗角正切為0.0018 的FR4 介質基板;下層為上邊緣兩側切角的接地板。使用HFSS 電磁仿真軟件對超寬帶天線進行仿真優(yōu)化,優(yōu)化后的天線尺寸如表1 所示。

表1 天線尺寸Tab.1 The dimensions of antenna mm

圖1 超寬帶天線結構圖Fig.1 UWB antenna structure diagram

本文所設計的天線由50 Ω 微帶饋線進行饋電,微帶饋線的寬度可由式(1)和(2)確定:

式中:Zf為自由空間波阻抗;εeff為介質基板的等效介電常數;h為介質基板的厚度;w為微帶饋線的寬度;εr為介質基板的相對介電常數。通過式(1)計算可得微帶饋線的寬度為1.92 mm,經過仿真軟件進行仿真優(yōu)化,最終確定50 Ω 微帶饋線的寬度Wf取1.9 mm。圖2 為超寬帶天線電壓駐波比(VSWR)的仿真數據,可以看出,該超寬帶天線可工作在大于3.1 GHz 的頻段內。

圖2 超寬帶天線的電壓駐波比Fig.2 VSWR of UWB antenna

1.2 雙陷波超寬帶天線設計

基于圖1 中超寬帶天線的結構,在該超寬帶天線50 Ω 饋線兩側分別加載長度為L1和L2的L 型開路諧振枝節(jié),耦合微帶線與50 Ω 微帶饋線之間的耦合間距為G,50 Ω 饋線兩側的L 型枝節(jié)關于50 Ω 饋線對稱,其目的是增強陷波頻段的諧振強度。耦合微帶線及L 型開路枝節(jié)的寬度均為Wl。雙陷波超寬帶天線結構如圖3 所示。

圖3 雙陷波超寬帶天線結構圖Fig.3 Double-notch UWB antenna structure diagram

通過合理調節(jié)L 型開路枝節(jié)的長度,可使天線在特定頻段實現陷波特性。L 型枝節(jié)的長度可由式(3)確定。

式中:L為L 型開路枝節(jié)的長度;c為光速;λ為波長;f為工作頻率。為實現該天線在中心頻率5.5 GHz和7.5 GHz 處產生陷波,通過式(3)可計算得到L1=6.1 mm 和L2=8.3 mm。圖4 為不同長度L1和L2對應的反射系數(S11)對比圖。從圖4 可以看出,隨著L 型開路枝節(jié)長度的減小,陷波的頻段會向高頻段處移動。最終,通過優(yōu)化可得L1和L2的實際長度分別為8.35 mm 和10.75 mm。

圖4 不同長度L 型枝節(jié)的S11對比圖Fig.4 S11 comparison chart of different length L-shaped branches

圖5 為僅在50 Ω 饋線一側有L 型枝節(jié)和50 Ω 饋線兩側均有L 型枝節(jié)的S11對比圖。從圖5 可以看出,50 Ω 饋線兩側均有L 型枝節(jié)的反射系數要大于僅在50 Ω 饋線一側有L 型枝節(jié)的反射系數,說明50 Ω 饋線兩側均有L 型枝節(jié)可以更加有效地抑制陷波頻段。

圖5 單/雙側L 型枝節(jié)的S11對比圖Fig.5 S11 comparison chart of single/double L-shaped branches

1.3 可重構天線設計

通過控制圖3 中50 Ω 饋線兩側的L 型枝節(jié)是否接入網絡,可使該陷波超寬帶天線具有可重構特性。圖6為加載了偏置網絡的可重構天線結構圖。通過在耦合微帶線與L 型開路枝節(jié)之間加載射頻PIN 二極管,并通過偏置網絡控制二極管兩端的偏置電壓,可有效控制L 型枝節(jié)是否能夠接入網絡,從而實現天線的可重構特性。

圖6 可重構天線結構圖Fig.6 Reconfigurable antenna structure diagram

本文使用M/A-COM 公司型號為MA4AGBLP912的PIN 二極管,從PIN 二極管的數據手冊中可知,該PIN 二極管具有較小的電感Ls,在正向偏置時具有較小正向偏置電阻Rs為5.2 Ω;在反向偏置時具有較小的反向隔離電容Ct為0.018 pF,且具有較大的反向偏置電阻Rp,其開/關狀態(tài)下的等效模型如圖7(a)所示。該PIN二極管可工作在微波頻段且具有2～3 ns 的開關速度,故可用于本文提出的可重構天線設計。

為了控制PIN 二極管的工作狀態(tài),需要為加載到天線陷波結構中的PIN 二極管設置直流偏置網絡,其直流偏置電路原理圖如圖7(b)所示。在偏置網絡中,為了限制通過二極管的電流,需要設置一個阻值為R(220 Ω)的電阻;電感L(30 nH)和高阻抗偏置線則是為了扼制射頻信號進入直流偏置電路;電容C(2.2 pF)則是為了去除直流電源的高頻分量,提高二極管工作的穩(wěn)定性。

圖7 (a)PIN 二極管等效模型;(b)直流偏置電路原理圖Fig.7 (a)PIN diode equivalent model;(b)Schematic diagram of DC bias circuit

通過控制不同的二極管的通斷,可使該天線工作在4 種模式,其工作模式如表2 所示。當二極管D1、D2、D3 和D4 均處于導通狀態(tài)時(Case 1),該天線將擁有兩個陷波頻段,分別為WLAN 和衛(wèi)星X 波段下行頻段;當二極管D1 和D3 導通,D2 和D4 斷開時(Case 2),該天線在WLAN 頻段內實現陷波;當二極管D1 和D3 斷開,D2 和D4 導通時(Case 3),該天線在衛(wèi)星X 波段下行頻段內實現陷波;當二極管D1、D2、D3 和D4 均處于斷開狀態(tài)時(Case 4),該天線工作在超寬帶頻段為3.1～11.1 GHz。

表2 可重構天線的工作模式Tab.2 Operating mode of reconfigurable antenna

2 實驗結果分析

2.1 實測結果

制作的可重構天線實物如圖8 所示,在天線偏置網絡的對應位置分別焊接了電感、電容、電阻和PIN二極管,圖中白色導線連接直流電源的正極,黑色導線連接直流電源的負極,并將SMA 接頭連接到天線的50 Ω 微帶饋線末端。采用Agilent E5063A 矢量網絡分析儀測試本文所設計的可重構天線在不同狀態(tài)時的S11,測試結果如圖9 所示。當二極管D1、D3、D2 和D4 同時導通,天線工作在雙陷波狀態(tài)(Case 1),此時天線對WLAN 頻段(5.2～5.9 GHz)和衛(wèi)星X 波段(6.8～7.8 GHz)的干擾具有較好的抑制作用;當二極管D1 和D3 處于導通狀態(tài),D2 和D4 處于斷開狀態(tài)時,天線工作在單陷波狀態(tài)(Case 2),此時天線僅對WLAN 頻段(5.2～5.9 GHz)的干擾具有較好的抑制作用;當二極管D1 和D3 處于斷開狀態(tài),D2 和D4 處于導通狀態(tài)時,天線工作在單陷波狀態(tài)(Case 3),此時天線只對衛(wèi)星X 波段(6.8～7.8 GHz)的干擾具有較好的抑制作用;當二極管D1、D3、D2 和D4 同時處于斷開狀態(tài)時,天線可工作在3.1～11 GHz 的超寬帶頻段內(Case 4)。

圖8 可重構天線實物圖Fig.8 The physical diagram of reconfigurable antenna

圖9 天線工作在不同狀態(tài)下的測試結果Fig.9 Measured result of antenna working in different states

2.2 表面電流和阻抗分析

為了說明天線的工作原理,圖10(a)為天線在3.5 GHz 頻點處的表面電流分布圖,從圖中可以看出,電流均勻分布在天線的表面,表明天線在該頻點處具有良好的輻射特性。圖10(b)為5.5 GHz 頻點處的天線表面電流分布圖,從圖中可以看出,在5.5 GHz 頻點處,電流主要分布在天線下半部分L 型開路枝節(jié)處。而在7.5 GHz 頻點處(圖10(c)),電流主要分布在天線上半部分L 型開路枝節(jié)處。該現象表明當L 型開路枝節(jié)的長度為陷波中心頻率所對應波長的1/4 時,天線在陷波中心頻率處阻抗接近0,故而表面電流聚集較多,使得天線在該頻段范圍內不能有效地將能量輻射到空間中,從而使得該天線在這些頻段內產生陷波,達到了抑制干擾的目的。圖11 為天線端口阻抗圖,從圖11 可以看出,在中心頻率為5.5 GHz 和7.5 GHz 的頻段內,其實部阻抗和虛部阻抗均接近0,這也表明了天線在這兩個頻段內處于失配狀態(tài),不能進行有效的輻射。

圖10 表面電流分布圖。(a)3.5 GHz;(b)5.5 GHz;(c)7.5 GHzFig.10 Surface current distributions.(a)3.5 GHz;(b)5.5 GHz;(c)7.5 GHz

圖11 天線端口阻抗圖Fig.11 Antenna port impedance diagram

2.3 輻射特性及增益分析

為了說明本文設計的可重構超寬帶天線在工作頻帶內具有全向輻射的特性,圖12 為在3.5,6.5 和9 GHz 三個頻點處仿真和測量的天線遠場E 面和H 面輻射方向圖。從圖12 的E 面方向圖中可以看出在三個頻點處方向圖均近似為“8” 字形,而在三個頻點處H面方向圖近似為圓形,表明本文所設計的天線在工作頻帶內具有良好的全向輻射特性,可應用于各種UWB無線通信系統(tǒng)中。

圖12 仿真和測量的天線方向圖。(a)3.5 GHz;(b)6.5 GHz;(c)9 GHzFig.12 Simulated and measured antennas patterns.(a)3.5 GHz;(b)6.5 GHz;(c)9 GHz

圖13 為天線在Case 1 和Case 4 狀態(tài)下的增益曲線。從圖13 可以看出,當天線工作在超寬帶狀態(tài)(Case 4)時,天線在3～11 GHz 頻段內增益穩(wěn)定在2～4 dBi。當天線工作在雙陷波狀態(tài)(Case 1)時,天線在陷波中心頻點5.5 GHz 和7.3 GHz 處的增益急劇下降,分別達到-3.4 dBi 和-3.3 dBi,而在陷波頻段之外則具有和天線Case 4 狀態(tài)時相似大小的增益。

圖13 天線Case 1 和Case 4 的增益測試結果Fig.13 Measured gain of antenna Case 1 and Case 4

表3 為本文天線與其他文獻天線的性能對比。從表3 可以看出,與文獻中所提出的可重構天線結構和所使用的可重構方式相比,本文所提出的可重構超寬帶天線的尺寸明顯減小,并在天線本體外圍設計控制PIN 二極管通斷所需的直流偏置電路,無需額外的控制電路,結構簡單,易于實現,且可靈活選擇天線工作的模式,符合目前無線通信設備小型化和智能化的需求。

表3 本文天線與文獻中天線對比Tab.3 Comparison of antennas in references and this paper

3 結論

本文提出了一款采用PIN 二極管作為開關的可重構陷波超寬帶天線,經理論計算和仿真優(yōu)化,驗證了L 型開路枝節(jié)具有頻率抑制作用,通過控制加載在耦合線和L 型開路枝節(jié)之間的PIN 二極管的通斷,可使該天線在UWB、單陷波和雙陷波狀態(tài)之間高速切換。實測結果表明,該天線在工作頻段內S11小于-10 dB,增益穩(wěn)定在2～4 dBi,且具有良好的全向輻射特性,可應用于超寬帶無線通信系統(tǒng)中。