一種新型陷波特性超寬帶天線設(shè)計(jì)

胡帥江，王光明，張晨新，鄭 龍

(空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院，陜西 三原 713800)

責(zé)任編輯:時(shí) 雯

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，超寬帶(Ultra-wideband，UWB)天線以其具有傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)，使得它在雷達(dá)系統(tǒng)、通信領(lǐng)域、軍事等方面受到越來(lái)越多的關(guān)注［1］。超寬帶通信的頻段確定為3.1～10.6 GHz［2］，但隨著超寬帶通信頻段的重新劃分，原有的頻段與WIMAX增補(bǔ)頻段(基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn))、5 GHz頻段無(wú)線局域網(wǎng)(HiperLAN)重疊的頻帶將不能使用，從而產(chǎn)生了問(wèn)題。

為了降低系統(tǒng)之間的相互干擾、提高頻譜利用率，可以在系統(tǒng)的天線端加入陷波結(jié)構(gòu)［3-8］。目前產(chǎn)生陷波特性的結(jié)構(gòu)有多種形式，例如在貼片上加載縫隙結(jié)構(gòu)或者在貼片上添加匹配枝節(jié)等，使超寬帶天線在相應(yīng)的頻段內(nèi)具有較大的反射系數(shù)、出現(xiàn)“陷波”(帶阻)特性而呈現(xiàn)收發(fā)“鈍態(tài)”。因此，具有陷波功能的小型平面超寬帶天線已經(jīng)成為近年來(lái)的一個(gè)熱門研究課題。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)具有雙陷波特性的超寬帶平面單極子天線。該天線的輻射貼片與接地板結(jié)構(gòu)相似，通過(guò)在輻射貼片上加載U型槽以及在饋線一側(cè)加載新型陷波結(jié)構(gòu)分別在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz產(chǎn)生陷波。通過(guò)對(duì)加工好的天線進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證陷波處天線的輻射效率和增益較低，形成帶阻，解決了UWB與WLAN，WiMAX之間相互干擾的問(wèn)題。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的天線采用尺寸為24 mm×32 mm×0.508 mm、介電常數(shù)εr=2.2的羅杰斯5880作為介質(zhì)板材料。天線采用50Ω阻抗匹配微帶饋電，輻射貼片與接地板結(jié)構(gòu)相似，通過(guò)在輻射貼片上加載U型槽以及在饋線一側(cè)加載新型陷波結(jié)構(gòu)分別在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz產(chǎn)生陷波，其中U型縫隙長(zhǎng)度近似為陷波處對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半，實(shí)現(xiàn)了UWB與WIMAX頻段和WLAN頻段的電磁兼容，天線正面、背面以及寄生單元結(jié)構(gòu)如圖1a、圖1b、圖1c所示(其中深色部分為金屬)，用HFSS10對(duì)天線進(jìn)行仿真優(yōu)化得天線的尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸 mm

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

2 天線陷波原理

從天線電流密度分布方面對(duì)3.5 GHz頻段處以及5.5 GHz頻段處的陷波特性產(chǎn)生的原因進(jìn)行了詮釋，用HFSS軟件對(duì)天線加入縫隙結(jié)構(gòu)和寄生結(jié)構(gòu)前后的電流幅度分布進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。

圖2中，a圖為天線未加載縫隙時(shí)的電流分布，b圖為天線加載寄生單元等效結(jié)構(gòu)時(shí)在5.5 GHz頻率處的電流分布，c圖為天線加載縫隙及寄生單元結(jié)構(gòu)后在3.5 GHz頻率處的電流分布，d圖為天線加載縫隙及寄生單元結(jié)構(gòu)后在5.5 GHz頻率處的電流分布。比較4幅圖可以看出，天線未加載縫隙及寄生單元時(shí)表面電流主要分布在饋線以及貼片與地面邊緣處，天線能正常輻射;天線加載縫隙后表面電流主要集中在縫隙附近，天線不能正常輻射，即在3.5 GHz處于陷波狀態(tài);天線加載饋線旁邊的寄生單元后5.5 GHz處的表面電流主要集中于單元上，天線無(wú)法正常輻射，加載寄生單元等效結(jié)構(gòu)時(shí)也有類似的效果。

按照電路理論分析，加載縫隙相當(dāng)于引入電感和電容的并聯(lián)電路，從而在原有的匹配電路中增加了一個(gè)并聯(lián)諧振點(diǎn)，造成阻抗不匹配，形成較大的反射系數(shù)，加載寄生陷波單元原理上相當(dāng)于加載了對(duì)應(yīng)頻率的濾波器，從而實(shí)現(xiàn)陷波，其等效電路如圖3所示，濾波器的諧振頻率點(diǎn)F可由式(1)大致得出，其中L為電感，C為電容。天線加載縫隙及寄生單元結(jié)構(gòu)前后的阻抗變化如圖4所示，圖中，im(Z0)、im(Z0)分別表示天線加載陷波結(jié)構(gòu)前的電阻和電抗，im(Z1)、im(Z1)分別表示天線加載陷波結(jié)構(gòu)后的電阻和電抗。比較陷波結(jié)構(gòu)加入前后的阻抗曲線可得，天線加載陷波結(jié)構(gòu)后天線在陷波處明顯阻抗失配，這便是產(chǎn)生陷波的原因。

式中:c為自由空間中的光速;fb為陷波處的諧振頻率;εe為等效介電常數(shù)。

在圖1中，U型縫隙結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)3.5 GHz陷波頻段，寄生結(jié)構(gòu)單元對(duì)應(yīng)5.5 GHz陷波頻段，兩結(jié)構(gòu)之間基本無(wú)影響。其中調(diào)節(jié)縫隙的長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)諧振點(diǎn)的位置，調(diào)節(jié)縫隙的寬度可以改變陷波頻段的寬度，縫隙越寬，陷波頻段越寬;而加載的寄生單元?jiǎng)t比較難以調(diào)節(jié)，寄生單元的尺寸、位置以及其中金屬化過(guò)孔的尺寸和位置對(duì)陷波性能都有很大的影響，而且陷波結(jié)構(gòu)尺寸與陷波頻率的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系還不是十分明確，將于下一步進(jìn)行深入的理論研究。諧振點(diǎn)引入縫隙長(zhǎng)度l的近似公式為

3 天線的仿真、測(cè)試與分析

用Ansoft HFSS10仿真軟件對(duì)加載陷波結(jié)構(gòu)加入前后的天線進(jìn)行仿真，并對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了加工和測(cè)試，天線加工實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 天線實(shí)物圖

圖6給出了天線的S11曲線，其中包括加載陷波結(jié)構(gòu)前、加載寄生單元等效結(jié)構(gòu)、加載雙陷波結(jié)構(gòu)及實(shí)測(cè)的S11仿真曲線。由圖可得天線加載寄生單元與寄生單元等效結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果基本相近，雙陷波天線S11的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，阻抗帶寬大于4.5∶1，加載縫隙后天線分別在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz頻段處產(chǎn)生陷波，但是也伴隨著對(duì)通帶內(nèi)的回波損耗特性的小幅度影響。天線的部分頻段增益仿真結(jié)果如圖7所示，通帶內(nèi)增益基本大于5 dB，適用于移動(dòng)通信，阻帶內(nèi)增益分別下降7 dB和3 dB，陷波抑制作用比較明顯。

圖8給出了天線加載縫隙后分別在3 GHz，6 GHz，9 GHz的方向圖仿真結(jié)果。從圖中可以看出，整個(gè)頻段GainPhi和GainTheta方向圖基本相似，這是由天線本身的結(jié)構(gòu)決定的。隨著頻率的升高，天線主輻射方向的波瓣寬度逐漸增大，而且在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)，天線的輻射方向圖基本一致，近似為全向輻射，滿足UWB天線在整個(gè)頻帶范圍對(duì)輻射方向圖的要求。

圖8 天線增益方向圖

4 結(jié)論

本文提出了一種新型雙陷波特性超寬帶平面天線，天線采用50Ω阻抗匹配微帶饋電，輻射貼片與接地板結(jié)構(gòu)相似，尺寸僅為24 mm×32 mm，易加工且便于集成，設(shè)計(jì)的天線阻抗帶寬覆蓋了3～13.5 GHz的頻率范圍，帶寬比大于4.5∶1，且方向圖特性良好。通過(guò)在輻射貼片上加載U型槽以及在饋線一側(cè)加載新型陷波結(jié)構(gòu)分別在3.3～3.8 GHz和5.3～5.6 GHz產(chǎn)生陷波，實(shí)現(xiàn)了UWB與WLAN頻段和WIMAX頻段的電磁兼容，并對(duì)陷波原理進(jìn)行了理論分析。天線的理論計(jì)算結(jié)果、仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，表明通帶內(nèi)天線的輻射效果良好，阻帶內(nèi)天線增益明顯下降，有效實(shí)現(xiàn)了陷波抑制輻射作用。

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