一種“鉗”形超寬帶天線的設計

孔璇 王世奎 張宇烜

摘要：隨著無線通信技術在航空領域的飛速發(fā)展，頻譜資源日益緊張，對超寬帶（Ultra Wide Band， UWB）天線的研制需求愈加迫切。由于UWB天線會與窄帶通信系統(tǒng)產(chǎn)生相互干擾，因此需要改進天線結構，實現(xiàn)對窄帶信號的干擾抑制。通過設計、加工一款帶有T形縫隙結構的“鉗”形UWB天線，在背面接地板上刻蝕兩個T形縫隙，使該天線的阻抗帶寬得到了擴展。天線尺寸為30mm×35mm×1.6mm，仿真和測試結果表明，該天線的-10dB阻抗帶寬為9GHz（3GHz～12GHz），相對帶寬達到120%。

關鍵詞： UWB天線;“鉗”形; T形縫隙; 阻抗帶寬; 增益曲線

中圖分類號：TP393 ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）13-0005-04

1引言

近年來，無線通信技術的飛速發(fā)展和其在航空領域的廣泛應用導致了頻譜資源日益緊張，航空無線通信技術對超寬帶（UWB）系統(tǒng)的需求不斷增加，也使超寬帶天線研究開發(fā)的需求和重要性不斷提升。與窄帶天線不同，UWB天線的工作原理是通過發(fā)射和接收時間為納秒級甚至更小的窄脈沖向外輻射信號，通過提高數(shù)倍的信道帶寬，提高信道容量。UWB天線高數(shù)據(jù)速率的特點非常適合機載短距離無線通信的應用場景。例如，機載設備間可采用無線通信的方式傳輸短距離音視頻數(shù)據(jù)。超寬帶天線性能的好壞直接決定了無線通信系統(tǒng)的性能。因此，研究和設計高性能的小型化超寬帶天線在民用和軍用領域，均具有重要的實際意義和廣闊的應用前景。

自從美國聯(lián)邦通信委員會（FCC，F(xiàn)ederal Communications Commission）于2002年首次批準3.1GHz～10.6GHz頻段內(nèi)的超寬帶商業(yè)使用規(guī)則以來[1]，UWB技術突破了軍事通信和雷達遙感應用的局限性，成為商用及民用無線通信系統(tǒng)在短距離、高速率傳輸上的研究熱點[2]。UWB天線作為無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，在整個系統(tǒng)中起著非常重要的作用，對超寬帶系統(tǒng)的發(fā)展和超寬帶天線的研究具有極其重要的意義，受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注[3-5]。由于超寬帶通信系統(tǒng)的工作頻段包括了WiMAX頻段（3.3 GHz～3.6GHz）、C波段（3.7 GHz～4.2GHz）、WLAN頻段（5.15 GHz～5.35GHz）和X波段（7.25 GHz～7.75GHz）等窄帶通信系統(tǒng)頻段，UWB系統(tǒng)會與上述窄帶通信系統(tǒng)產(chǎn)生相互干擾，因此，通常需要在天線前端加濾波器濾除窄帶信號，嚴重阻礙了超寬帶天線的小型化和集成化。在對UWB天線的幾種類型系統(tǒng)地研究后發(fā)現(xiàn)[6-8]，印刷縫隙天線僅通過對天線結構的改進就能實現(xiàn)窄帶信號干擾的抑制，降低了系統(tǒng)復雜度。同時，由于其帶寬較寬、結構簡單、成本低、易于制造等優(yōu)點而備受關注，并且在文獻中已經(jīng)提出了具有不同縫隙形狀和饋電結構的各種印刷縫隙天線[9-12]，獲得了比較令人滿意的天線特性。

無線通信技術能解決機載網(wǎng)絡布線復雜度、帶寬能耗受限、成本高昂等問題，機載網(wǎng)絡可以應用無線通信技術，實現(xiàn)無人機光電、射頻系統(tǒng)設備高清圖像/視頻傳輸、蒙皮感知系統(tǒng)的動態(tài)組網(wǎng)及機上數(shù)據(jù)加卸載。為了滿足天線在機載環(huán)境的應用需求，提高超寬帶系統(tǒng)的性能，近年來，可重構超寬帶縫隙天線的研究也逐漸成為熱點，基于RF MEMS、PIN二極管以及變?nèi)荻O管等開關元件設計的可重構超寬帶天線進一步增大了天線的阻抗帶寬，實現(xiàn)了天線在多個工作頻段上的自由切換[13-15]。

為了降低與共享頻率資源的其他系統(tǒng)的干擾電平，需要設計具有阻帶濾波特性的UWB天線，結合機載環(huán)境UWB天線小型化及信道帶寬的需求，提出一種新型的圓扳手形UWB縫隙平面微帶天線。通過在背面接地板上刻蝕兩個T形槽，有效提高了天線阻抗帶寬，天線的總尺寸為35×30×1.6mm?。通過仿真及實物測試，結果表明，該天線在VSWR小于2的條件下可產(chǎn)生9GHz（3 GHz～12GHz）的阻抗帶寬。

2 天線結構

作為偶極子的互補天線，縫隙天線是由縫隙表面的等效磁流源進行輻射，利用巴比涅原理，可以從偶極子的輻射特性推導出縫隙天線的輻射及近場特性，即用等效偶極子天線在空間某點的磁場乘以該點的介質(zhì)波阻抗，得到窄縫天線在該點的電場。對于UWB天線的設計而言，由于導電或?qū)Т懦叽缬邢?，邊緣效應會影響公式求解結果。因此，需要利用仿真及實物測試相結合的方法來分析、研究天線的輻射特性。

本文設計了一種新型的圓形扳手UWB天線，其形態(tài)類似于一個“鉗”形，該天線采用線寬為3mm的50歐姆微帶線饋電，通過在背面地板刻蝕兩個T形縫隙，實現(xiàn)了擴展阻抗帶寬的作用。

天線的饋電結構是由介質(zhì)基板上表面的T形縫隙、輻射體和介質(zhì)基板下表面的微帶線共同構成，微帶線末端具有開路枝節(jié)，用于寬頻帶范圍內(nèi)的阻抗匹配;微帶線寬度由公式計算得出，用于與 50歐姆的SMA 接頭相匹配;天線的輻射體主要由印刷在介質(zhì)板上表面的金屬貼片決定，縫隙將該貼片分成兩個輻射陣子。

由于機載設備安裝位置不同，匯聚節(jié)點、終端節(jié)點的作用不同，天線的設計是否滿足無線信道條件需要通過電磁學仿真進行建模，分析復雜封閉機艙內(nèi)射頻通道的極化、傳輸及衰減特性，設計無線組網(wǎng)的信號計劃方案和針對典型孔洞的信號衰減模型。常用的天線仿真工具有HFSS和CST，二者相比，HFSS的仿真精度較高，但CST仿真速度較快。由于機載環(huán)境下需要仿真的結構龐大，用HFSS仿真較慢，因而選用CST完成相關仿真工作。

2.1 設計參數(shù)

天線正反面結構分別如圖1、圖2所示，天線基板采用介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板，板厚為1.6mm。

該天線模型的設計使用CST電磁仿真軟件完成，在CST環(huán)境下優(yōu)化的各項參數(shù)值如圖1和圖2所示，分別為：基板寬度W = 30mm，基板長度L = 35mm，如圖1所示的正面帶條尺寸參數(shù)：L1 = 16.9mm，L2 = 1.3mm，L3 = 5.2mm，W2 = 2.6mm，如圖2所示的天線背面設計參數(shù)為：L4 = 16mm，L5 = 4mm，L6 = 3mm，L7 = 14mm，L8 = 3mm，W1 = 3mm， W3 = 1.5mm，W4 = 4mm，W5 = 1.5mm，W6 = 5mm。

如圖2所示，在接地面上刻蝕兩個尺寸不同的背對背T形槽。在饋線的末端，應用了圓弧形的貼片輻射器，從而在整個工作頻帶上產(chǎn)生良好的阻抗匹配。

2.2 模式分析

文章設計的天線在3.5GHz、7GHz和10GHz三個頻率下的表面電流分布如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，強表面電流沿饋線、饋線下方的T形槽以及扳手狀輻射片流動，該結果證實設計的UWB天線的性能主要取決于饋線、接地平面上的T形槽和輻射貼片。

3 仿真結果

3.1 “鉗”形天線的S參數(shù)仿真結果

圖4給出了不同的R值對天線S11曲線的影響，可以看出，R值過大或過小，低頻部分的匹配均較差，所以經(jīng)優(yōu)化最終取R = 4.2mm。

圖5給出了天線的S11仿真曲線。仿真結果表明，該天線的-10dB阻抗帶寬約為9 GHz（3GHz～12GHz），相對帶寬約為120%。

3.2 “鉗”形天線的輻射特性

“鉗”形UWB天線在3GHz頻率下E面和H面的方向圖如圖6所示。

該天線在6GHz頻率下E面和H面的方向圖如圖7所示。

該天線在9 GHz頻率下E面和H面的方向圖如圖8所示。由圖6～圖8對比可知，天線方向圖在阻抗帶寬范圍內(nèi)保持了較好的一致性，E面方向圖均呈“8”字形，H面均近似為全向輻射，滿足UWB天線全向性的要求。

圖9為天線的增益曲線。由圖9可知，天線增益在帶寬范圍內(nèi)均大于3dBi，在約10GHz時有最大增益約為5.4dBi。

4 天線加工與測試結果

4.1天線加工實物

為了進一步驗證設計的準確性，文章基于UWB天線設計原型制作了天線實物。如圖10所示，天線印刷在一張整體尺寸為 35mm×30mm×1.6mm的 FR4 硬質(zhì)電路板上，整體呈現(xiàn)矩形結構，一端焊接上 SMA 接頭，以方便測試。

4.2 測試結果

文章所設計天線的測試使用Agilent公司N5247A矢量網(wǎng)絡分析儀完成，測試結果如圖11所示，為了方便測試仿真結果的差異，圖11中用實線表示了天線的S11參數(shù)測試結果，虛線表示了仿真結果。

從圖11中可以看出，該天線測試的 |S11| < ?10dB 的阻抗帶寬為3GHz～12GHz，與仿真結果給出的2.95GHz～12.11GHz帶寬略有縮小?？梢詮膱D11中看出，由于測試誤差，曲線出現(xiàn)了不該有的毛刺，仿真結果和測試結果之間的差異是由于SMA接頭、制造公差以及基板介電常數(shù)隨頻率變化而導致的。對比仿真和測試的反射系數(shù)結果可以發(fā)現(xiàn)，兩曲線在諧振點上有較為一致的表現(xiàn)，在3.5GHz、7GHz和11GHz 處都表示出了類似的諧振特性。

5 結束語

5G時代的到來使無線通信技術在航空領域的應用越來越廣泛。機載設備端到端的無線傳輸實現(xiàn)了裝備減重、快速拆裝、動態(tài)組網(wǎng)的功能，具有重大的戰(zhàn)略意義。為了滿足機載設備之間短距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，需要研究支持高傳輸速率的超帶寬技術。UWB天線作為射頻模擬信號接收和發(fā)射裝置，關系著系統(tǒng)的整體性能。

為了降低與共享頻率資源的其他系統(tǒng)的干擾電平，本文提出了一種新型的“鉗”形UWB天線設計，根據(jù)縫隙天線的饋電方式和輻射機理，給出了天線的設計思路，即采用線寬為3mm的50歐姆微帶線饋電，通過在背面接地板刻蝕兩個T形縫隙，實現(xiàn)了擴展阻抗帶寬的作用。仿真和測試結果表明，該天線的-10dB阻抗帶寬為9GHz（3GHz～12GHz），相對帶寬為120%。天線增益在帶寬范圍內(nèi)均大于3dBi，在約10GHz時有最大增益約為5.4dBi。

參考文獻：

[1] Federal Communications Commission. Revision of Part 15 of the Commissions Rules Regarding Ultra Wideband Transmission Systems[R]. Washington， DC： ET-Docket， 2002， 98-153.

[2] Fereidoony F，Chamaani S，Mirtaheri S A.Systematic design of UWB monopole antennas with stable omnidirectional radiation pattern[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11：752-755.

[3] Zhao D S，Lan L T，Han Y F，et al.Optically controlled reconfigurable band-notched UWB antenna for cognitive radio applications[J].IEEE Photonics Technology Letters，2014，26（21）：2173-2176.

[4] Siddiqui J Y，Saha C，Antar Y M M.Compact SRR loaded UWB circular monopole antenna with frequency Notch characteristics[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（8）：4015-4020.

[5] Emadian S R，Ahmadi-Shokouh J.Very small dual band-notched rectangular slot antenna with enhanced impedance bandwidth[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（10）：4529-4534.

[6] Reddy G S，Kamma A，Kharche S，et al.Cross-configured directional UWB antennas for multidirectional pattern diversity characteristics[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（2）：853-858.

[7] Singhal S，Singh A K.Beveled monopole antenna with slot loaded semicircular like ground plane for UWB applications[J].Microwave and Optical Technology Letters，2015，57（6）：1289-1296.

[8] Liu H W，Ku C H，Wang T S，et al.Compactmonopole antenna with band-notched characteristic for UWB applications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2010，9：397-400.

[9] Fan S T，Yin Y Z，Kang L，et al.Bandwidth enhancement of a coplanar waveguide-fed asymmetrical slot antenna with a rectangular patch[J].Microwave and Optical Technology Letters，2010，52（10）：2259-2261.

[10] Jan J Y，Su J W.Bandwidth enhancement of a printed wide-slot antenna with a rotated slot[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53（6）：2111-2114.

[11] Chen H D.Broadband CPW-fed square slot antennas with a widened tuning stub[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51（8）：1982-1986.

[12] Li P C，Liang J X，Chen X D.Study of printed elliptical/circular slot antennas for ultra wideband applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54（6）：1670-1675.

[13] Li F，Jiao Y C，Ren L S，et al.Compact double T-shaped slots antenna with a rectangular patch for bandwidth enhancement[C]//Guangzhou： Proceedings of the 9th International Symposium on Antennas， Propagation and EM Theory， 2010.

[14] Ding T Y， Zhang L，Zhang S Q，et al.Adaptive high-level isolation between two closely placed copolarized antennas using tunable screen[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2017，16：1016-1019.

[15] Ding T Y，Zhang S Q，Zhang L，et al.Smart cylindrical dome antenna based on active frequency selective surface[J].International Journal of Antennas and Propagation， 2017：1-14.

【通聯(lián)編輯：代影】