多功能可調(diào)諧超寬帶陷波天線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

莊華偉，鞏皓冰，袁華中，張吉祥

(1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東省智能建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250101；3.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

0 引言

近年來，隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域日益增多，人們對現(xiàn)代通信多業(yè)務(wù)、高速率、高質(zhì)量的要求也在急劇增加。天線處于無線通信系統(tǒng)架構(gòu)的最前端，在無線通信中起著至關(guān)重要的作用，成為現(xiàn)代無線通信中最受關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域之一。目前，國內(nèi)外天線的研究主要面向小型化、寬頻帶和多頻段的方向發(fā)展[1-7]。在諸多天線中，微帶天線有著重量輕、體積小、低剖面、電性能多樣化、易集成和易共形的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于飛行器、衛(wèi)星通信、遙感技術(shù)和雷達(dá)等領(lǐng)域[8-9]。然而，傳統(tǒng)的微帶天線結(jié)構(gòu)獨(dú)特，存在帶寬度窄的缺陷，無法滿足現(xiàn)代無線寬帶及超寬帶通信系統(tǒng)要求。超寬帶UWB(Ultra-Wide Band)天線最早起源于單極子天線，在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展出了圓形及橢圓形結(jié)構(gòu)。近年來，基于印刷電路板的超寬帶天線因其制作成本低、易于集成等特點(diǎn)，得到了學(xué)者們的重視，逐漸成為超寬帶天線研究的趨勢和熱點(diǎn)。目前，研究人員通過增加介質(zhì)層厚度、修改其介電常數(shù)、采用枝節(jié)加載技術(shù)、在貼片內(nèi)刻蝕不同寬度的縫隙以及調(diào)整微帶天線的物理結(jié)構(gòu)等方法增加諧振點(diǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微帶天線的頻帶展寬[10-12]。

為了避免無線局域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、衛(wèi)星通訊以及5G移動(dòng)通信等應(yīng)用與超寬帶通信系統(tǒng)頻帶交疊，學(xué)者們專注于對微帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，以滿足天線在特定頻段的陷波特性[13]。目前，多種陷波實(shí)現(xiàn)技術(shù)相繼提出，如在饋電前端增加濾波器結(jié)構(gòu)、在天線側(cè)加載諧振枝節(jié)、在饋線或接地板上刻蝕槽型縫隙等[14-19]。但是，現(xiàn)有的陷波天線存在可調(diào)諧性差、尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及難以調(diào)控等缺點(diǎn)，很難大規(guī)模推廣和應(yīng)用。文章借助傳統(tǒng)的耦合模式方法，設(shè)計(jì)并研究了一種多功能可調(diào)諧超寬帶陷波天線；利用矩形環(huán)貼片諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)頻段在3.1～10.6 GHz，引入特定尺寸的寄生諧振單元來實(shí)現(xiàn)陷波特性，通過調(diào)節(jié)寄生單元的長度(寬度)實(shí)現(xiàn)陷波功能的可調(diào)諧性，并完成天線的制作與測試。

1 超寬帶陷波天線結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 超寬帶陷波天線結(jié)構(gòu)

選擇體積小、易集成的微帶天線，利用HFSS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真與性能優(yōu)化[20-21]。所設(shè)計(jì)的天線是以單級(jí)子天線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)改造而成的一種新型貼片天線，結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)天線由介質(zhì)層、矩形環(huán)輻射單元、寄生單元、微帶饋線以及參考地構(gòu)成。其中，輻射單元、寄生單元和微帶饋線位于介質(zhì)層的上側(cè)，而參考地則位于介質(zhì)層的下側(cè)。輻射單元、寄生單元、饋線以及參考地均采用銅材料，其電導(dǎo)率為5.8×107S/m。

圖1 UWB陷波天線結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

1.2 超寬帶陷波天線工作原理

UWB陷波天線工作原理是利用同軸線饋電在其輻射單元和地板之間的縫隙產(chǎn)生電勢差，在周圍產(chǎn)生特定的電場分布。由于時(shí)變電場會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)的時(shí)變磁場，使得天線產(chǎn)生向外輻射的電磁波。對天線輻射場的詳細(xì)分析結(jié)果，通常是在給定邊界條件下求解麥克斯韋方程組獲得。天線整體尺寸為W1×L1(35 mm×30 mm)，在其上層中間設(shè)置矩形環(huán)貼片輻射單元。作為一種單極子天線引申物，天線的有效長度度約等于天線諧振時(shí)對應(yīng)工作波長的1/4，由式(1)和(2)表示為

式中:Leff為天線有效波長，mm；εeff為天線有效相對介電常數(shù)；fr為諧振頻率，Hz；c為光速，m/s；εr為相對介電常數(shù)，其值為為介質(zhì)板厚度，mm；W5為微帶饋線的寬度，mm。

通過不斷調(diào)節(jié)各矩形貼片的長度(寬度)值以拓展不同矩形貼片諧振頻率及頻帶寬度，最終滿足天線的超寬帶特性。陷波的實(shí)現(xiàn)是在矩形環(huán)中央靠近饋電側(cè)連接尺寸為W4×G1的矩形寄生諧振單元，其諧振頻率由式(3)表示為

式中:fn為寄生單元諧振頻率，Hz；L為寄生諧振單元有效長度，mm，取決于寄生單元長度G1值。利用寄生諧振單元諧振時(shí)，與矩形環(huán)電磁能量相互耦合，導(dǎo)致諧振頻率附近輻射抑制，進(jìn)而產(chǎn)生陷波效應(yīng)。

2 超寬帶陷波天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

UWB陷波天線的設(shè)計(jì)思路是通過調(diào)節(jié)矩形輻射單元尺寸來實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶特性，在此基礎(chǔ)上加入寄生單元實(shí)現(xiàn)某一頻段內(nèi)的陷波特性。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，利用HFSS電磁仿真軟件建模[20]，制作天線實(shí)物，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對微帶天線實(shí)物進(jìn)行測試，并將所測結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)相比較來驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的可靠性和可行性。

2.1 超寬帶特性的實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)過程中，介質(zhì)基板選用電氣性能優(yōu)良的FR4材料，相對介電常數(shù)εd為 4.4，損耗角正切tanδ為0.02，基板尺寸為 35 mm ×30 mm，厚度為1.6 mm。超寬帶特性的實(shí)現(xiàn)是通過在介質(zhì)基板上用多個(gè)矩形貼片組合成一個(gè)方形環(huán)狀天線。微帶線饋電點(diǎn)的位置選擇輻射貼片的中點(diǎn)，饋電點(diǎn)與輻射貼片邊緣距離為L3，對于介質(zhì)基片厚度為1.6 mm的FR4環(huán)氧樹脂板的微帶天線，通過計(jì)算得出當(dāng)微帶天線饋線寬度W5為3.4 mm時(shí)，在整個(gè)寬頻帶內(nèi)其輸入阻抗約控制在50 Ω。

利用矩形環(huán)結(jié)構(gòu)中相鄰貼片之間耦合，不斷調(diào)節(jié)尺寸參數(shù)增加諧振點(diǎn)來擴(kuò)寬頻帶。利用全波仿真軟件HFSS，對不同長度的W2、W3變量分別進(jìn)行仿真分析，同時(shí)兼顧最小反射系數(shù)和可用帶寬，超寬帶天線變量優(yōu)化圖與優(yōu)化后的電壓駐波比VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)分布如圖2所示。由圖2(a)可看出，在W2為 16 mm時(shí)，天線回波損耗S11在5.6～7.2 GHz頻段內(nèi)＞-10dB，不符合超寬帶特性；再對比其他兩條曲線，W2為15 mm時(shí)，其反射系數(shù)更小，特性更好，故該長度為最優(yōu)長度。在圖2(b)中，當(dāng)W3為3.35 mm時(shí)為最優(yōu)長度。通過不斷的分析與優(yōu)化，當(dāng)W2為 15 mm、W3為 3.35 mm、L2為15 mm以及L5為2.5 mm時(shí)，可保證該貼片組合在3.1～10.6 GHz頻段內(nèi)均滿足回波損耗＜-10 dB。在確定天線最終尺寸后仿真得到其VSWR結(jié)果，如圖2(b)中紅色實(shí)線所示。所得VSWR在整個(gè)頻段內(nèi)均＜2，基本處于1.0～1.5，可以很好地滿足UWB通信要求，實(shí)現(xiàn)微帶天線的超寬帶特性。

圖2超寬帶天線變量優(yōu)化圖與優(yōu)化后的電壓駐波比分布圖

2.2 陷波特性的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)天線多功能特性且不受其它無線通信系統(tǒng)的交疊影響，在超寬帶的基礎(chǔ)上利用陷波技術(shù)抑制輻射進(jìn)而屏蔽干擾。為此，需要在產(chǎn)生陷波的頻段內(nèi)抑制電磁輻射能量。在矩形環(huán)內(nèi)，引入長度約為1/4陷波中心頻率諧振波長的寄生諧振單元來實(shí)現(xiàn)阻帶特性。微帶天線作為一種單極子天線的引申物，大多是利用式(3)根據(jù)其等效尺寸得出產(chǎn)生回波損耗最小值的諧振頻點(diǎn)，而其波形各頻點(diǎn)及其對應(yīng)極值的取值一般采用軟件仿真或?qū)崪y的方法求得。從電路的觀點(diǎn)來看，認(rèn)為天線是一個(gè)有耗的端口網(wǎng)絡(luò)，其功率的消耗等價(jià)于其輻射功率。目前，天線的電路結(jié)構(gòu)大多采用低損耗的電阻電容(RC)串聯(lián)諧振或電阻電感電容(RLC)并聯(lián)諧振電路模型來等效，其具體參數(shù)值則要利用仿真結(jié)果不斷微調(diào)其等效模型來獲取[22]。

在方形環(huán)內(nèi)引入一個(gè)尺寸為G1×W4的寄生單元，利用其與矩形環(huán)諧振器同時(shí)諧振產(chǎn)生耦合干涉導(dǎo)致輻射抑制，進(jìn)而產(chǎn)生陷波效應(yīng)。根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果得出的天線尺寸參數(shù)值見表1。利用專業(yè)刻蝕加工技術(shù)制作了天線實(shí)物，尺寸較普通硬幣略大。

在微波暗室內(nèi)，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線實(shí)物的回波損耗S11和VSWR，如圖3所示。在帶寬為3.1～10.6 GHz的通頻帶內(nèi)，天線在陷波頻段內(nèi)回波損耗＜-10 dB，VSWR基本＜2，與仿真結(jié)果基本一致。在常用的5.15～5.85 GHz頻段處，駐波比顯著上升，出現(xiàn)了良好的陷波效果。但實(shí)測的回波損耗S11在7.0～8.5 GHz頻段內(nèi)有升高趨勢，且駐波比數(shù)值較仿真結(jié)果略微偏大。存在差異的原因，主要包括天線加工過程中的尺寸誤差、同軸反極性公頭的焊接工藝以及材料本身產(chǎn)生的誤差等[18-19]。測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，滿足設(shè)計(jì)要求，從而證實(shí)該新型超寬帶陷波UWB天線的設(shè)計(jì)是成功且具有應(yīng)用價(jià)值的。

表1 天線尺寸參數(shù)表/mm

圖3 UWB陷波天線仿真與實(shí)測對比圖

為了更直觀地分析其陷波特性，進(jìn)一步給出了UWB微帶天線在3.5、5.8 GHz時(shí)的電流分布，如圖4所示。

圖4 UWB陷波天線電流分布圖

當(dāng)頻率為3.5 GHz時(shí)，天線處于通頻帶，電流分布于矩形環(huán)內(nèi)并產(chǎn)生諧振，有利于電磁能量的輻射。利用寄生枝節(jié)來實(shí)現(xiàn)陷波特性在陷波諧振點(diǎn)處的表面電流主要集中在枝節(jié)處而在輻射單元部分電流很少[15]。其產(chǎn)生機(jī)理是在枝節(jié)諧振時(shí)導(dǎo)致天線諧振阻抗與饋線失配，致使能量被大量反射回饋電測。與此不同，在陷波頻率為5.8 GHz時(shí)，電流同時(shí)分布在矩形環(huán)輻射貼片和寄生單元表面，使二者能量產(chǎn)生相互耦合效應(yīng)。寄生諧振單元與矩形環(huán)輻射貼片同時(shí)諧振，由于二者距離很近，致使2部分能量相互耦合產(chǎn)生類似于電磁誘導(dǎo)透明傳輸特性EIT(Electromagnetically Induced Transparency)的透明窗口內(nèi)的輻射隔離帶，導(dǎo)致部分電磁能量無法正常輻射出去，進(jìn)而在該頻段形成陷波。

對其電場增益進(jìn)行仿真，進(jìn)一步分析其輻射與陷波特性，如圖5所示。天線在3.5、5.8 GHz的電場3D增益圖分別如圖5(a)、(b)所示。不難看出，在面yOz方向上有著非常好的全向輻射特性，增益效果非常好且在面xOy方向上接近雙向模式；因陷波抑制其輻射能量明顯減小，xOy方向輻射明顯降低，僅在垂直于xOy平面上輻射較強(qiáng)。xOy面歸一化的2D輻射方向圖如圖5(c)所示。不難看出，作為一種單極子天線演變產(chǎn)物，該天線符合寬波束特性，在陷波頻段(5.8 GHz)內(nèi)輻射范圍有所減小。這次設(shè)計(jì)可以為超寬帶系統(tǒng)的運(yùn)行提供一個(gè)大而均勻的覆蓋范圍。在通帶，天線增益穩(wěn)定地變化在3～4 dBi之間，發(fā)射效率＞50%；而在阻帶上，其增益和效率都較低。通過以上分析可以很好地驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的可行性。

圖5 UWB陷波天線3D電場增益圖與輻射方向圖

2.3 可調(diào)諧功能的實(shí)現(xiàn)

寄生單元諧振頻率取決于其尺寸，通過改變其長度(寬度)分析其對陷波抑制的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對天線結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化。利用HFSS軟件分別對寄生單元長度G1和寬度W4分別進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖6所示。將寄生單元寬度W4固定為3 mm長度，G1取1～6 mm時(shí)，陷波中心頻率產(chǎn)生明顯的紅移，可調(diào)節(jié)范圍在3.5～7.0 GHz之間。 而當(dāng)G1固定為5 mm，W4由1 mm增加到5 mm時(shí)，陷波中心頻率產(chǎn)生紅移，但變化不夠明顯。因此，通常選擇寄生單元長度G1作為可調(diào)諧變量，根據(jù)不同需求來改變G1值實(shí)現(xiàn)不同的陷波功能，以適應(yīng)未來不同的應(yīng)用環(huán)境。

圖6 UWB陷波天線寄生單元尺寸變化回波損耗S11參數(shù)分布圖

現(xiàn)階段，在UWB天線產(chǎn)生陷波效應(yīng)主要通過在饋線、接地板或輻射單元上刻蝕不同形狀的槽型結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，利用槽型結(jié)構(gòu)隔斷電流流向?qū)е露帱c(diǎn)諧振并產(chǎn)生陷波。由于電流流向的不確定使得槽型結(jié)構(gòu)尺寸與陷波諧振點(diǎn)無法滿足線性對應(yīng)關(guān)系故無法實(shí)現(xiàn)對陷波頻率的精確操控。同時(shí)，利用在饋線側(cè)加接諧振枝節(jié)也可產(chǎn)生陷波效應(yīng)，但是增加的枝節(jié)會(huì)導(dǎo)致天線尺寸的進(jìn)一步增加，同時(shí)增加了刻蝕加工的復(fù)雜度。因此，通過上述陷波天線可調(diào)諧性能的分析，可實(shí)現(xiàn)陷波頻率的完美操控。同時(shí)天線結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，易于刻蝕加工與生產(chǎn)。

3 結(jié)論

在現(xiàn)有微帶天線的基礎(chǔ)上，文章設(shè)計(jì)并制作了一種多功能可調(diào)諧UWB陷波天線，并將天線實(shí)物測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)相比較，分析了其超寬帶、陷波等特性，主要結(jié)論如下:

(1)所設(shè)計(jì)的天線可覆蓋頻率范圍為3.1～10.6 GHz，且在除陷波頻段外，回波損耗均＜-10 dB、電壓駐波比基本＜2，發(fā)射效率＞50%，可達(dá)到良好的增益、全向輻射特性。

(2)利用矩形環(huán)貼片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性，在矩形環(huán)內(nèi)引入寄生諧振單元抑制特定頻段天線的輻射特性，即產(chǎn)生陷波效應(yīng)，改變寄生諧振單元的尺寸，可滿足特定頻段內(nèi)的陷波特性。