一款超寬帶陷波天線設(shè)計(jì)

孫孝波，王志剛，張永欣，李 靜，馬 勝，王 聰，王佩光

(1.國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，100052，北京；2.國(guó)網(wǎng)思極神往位置服務(wù)(北京)有限公司，102200，北京)

0 引言

美國(guó)聯(lián)邦委員會(huì)(FCC)于2002年將超寬帶一部分頻段劃歸為民用頻段，UWB在各行業(yè)的應(yīng)用立馬引起了科研人員的重視。UWB無(wú)線信號(hào)在通信技術(shù)方面具有較低的使用功耗、抗外界因素干擾能力強(qiáng)、信號(hào)的傳輸效率高，尤其在精確人員、物資定位系統(tǒng)及短距離通信方面廣泛使用[1-6]?；赨WB信號(hào)自身的特點(diǎn)，使超寬帶通訊技術(shù)在室內(nèi)定位領(lǐng)域取得了比較理想的定位結(jié)果。

微帶天線包含一種類型“印刷單極子天線”，自設(shè)計(jì)到應(yīng)用，印刷單極子天線以信號(hào)全向特性好、自身質(zhì)量輕、原材料成本低廉的優(yōu)點(diǎn)受到大范圍應(yīng)用。天線本身除具有微帶天線的特點(diǎn)外，印刷單極子天線還具有增益高和阻抗容易匹配等優(yōu)點(diǎn)。超寬帶定位系統(tǒng)的硬件組成中最重要的一塊是UWB定位天線，傳輸效率、抗干擾性能的優(yōu)劣會(huì)直接影響到整個(gè)定位系統(tǒng)的定位效果。目前，超寬帶天線的設(shè)計(jì)在為適應(yīng)無(wú)線終端小體積和低剖面的方面仍然面臨許多挑戰(zhàn)。不容忽視的是天線尺寸的縮減一定會(huì)犧牲天線自身的性能[7-12]。

5G通信系統(tǒng)的低頻段3.4～3.6 GHz(中國(guó)電信：3.4～3.5 GHz；中國(guó)聯(lián)通：3.5～3.6 GHz)在UWB頻段(3.1～10.6 GHz)內(nèi)。UWB常用于室內(nèi)定位產(chǎn)品，而5G通信作為人們?nèi)粘Ｊ褂玫囊苿?dòng)通信，兩者頻段存在重合使用場(chǎng)景也趨于相同時(shí)，很容易產(chǎn)生干擾[13-17]。為了保證UWB天線的性能，避免外界其他因素(尤其是在5G覆蓋范圍內(nèi)受5G信號(hào)的影響)對(duì)UWB天線的干擾，將天線設(shè)計(jì)為具備陷波特性的天線。將陷波結(jié)構(gòu)引入到UWB天線，并結(jié)合UWB天線自身的特點(diǎn)轉(zhuǎn)化為新的天線類型。UWB天線可以通過(guò)許多不同的結(jié)構(gòu)來(lái)獲得陷波特性，開(kāi)槽的方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常將槽口部位設(shè)計(jì)成U型、直線型或V型來(lái)控制天線表面的電流形成陷波特性，讓槽口處寬度很小是開(kāi)槽最常見(jiàn)的一種手段，天線的特性可通過(guò)更改槽口的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整，對(duì)整個(gè)頻段內(nèi)阻抗匹配影響可以忽略不計(jì)；除此之外還可以通過(guò)融合寄生單元、采用分形或調(diào)諧枝節(jié)的方式，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)某些頻段內(nèi)阻抗匹配產(chǎn)生一些影響。

結(jié)合以往陷波天線的設(shè)計(jì)思路，本文對(duì)超寬帶天線進(jìn)行了帶陷特性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路是輻射片采取“U”型設(shè)計(jì)，可調(diào)整輻射片間隙的間距，使其具備陷波特性良好的抗干擾性，同時(shí)最大程度地保證天線自身的全向性和平坦的增益特性。本論文設(shè)計(jì)的超寬帶陷波天線，天線S11-10dB的阻抗帶寬為2.7～7.3 GHz，在3.4～3.6GHz頻段內(nèi)產(chǎn)生阻帶。

1 發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 超寬帶天線發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)聯(lián)邦委員會(huì)(FCC)于2002年將超寬帶一部分頻段劃歸為民用頻段，UWB在各行業(yè)的應(yīng)用立馬引起了科研人員的重視，在超寬帶定位系統(tǒng)中天線是硬件重要組成部分之一，優(yōu)異的天線性能是各行各業(yè)研究的重點(diǎn)。(3.1～10.6 GHz)頻帶內(nèi)的阻抗適配、全向輻射方向、良好的天線增益，同時(shí)具備微型及低成本的特性是UWB天線設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。目前在用的UWB天線尺寸偏大，在與小型超寬帶系統(tǒng)的集成上天線尺寸問(wèn)題尤為突出，因此，近些年來(lái)UWB天線成為實(shí)驗(yàn)研究的主要方向[18-22]。

1.2 陷波天線的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

不同的通訊系統(tǒng)因各自工作頻段多互相之間可能會(huì)產(chǎn)生一定的干擾，陷波特性與寬頻帶的結(jié)合能有效地避免不同通信系統(tǒng)信號(hào)的干擾。在天線端串聯(lián)濾波器是簡(jiǎn)單的引入陷波特性的方法，但在實(shí)際應(yīng)用中，新增的濾波器增加了損耗，增加了天線的體積，同時(shí)給阻抗匹配增加了難度。以不影響天線指標(biāo)為前提，在不增加天線自身體積的情況下將陷波結(jié)構(gòu)與天線融合。該方式不僅能夠?yàn)閷掝l小型化設(shè)備的應(yīng)用提供新的解決思路，還能夠改善天線工作頻段內(nèi)的性能同時(shí)抑制不同的通訊系統(tǒng)干擾。

目前有3種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)陷波功能，在應(yīng)用上有所差異取決于各自的應(yīng)用需求。通過(guò)設(shè)計(jì)諧振結(jié)構(gòu)引入陷波特性的方式有2種，分別是在輻射單元上進(jìn)行諧振設(shè)計(jì)和輻射口處引入帶阻諧振結(jié)構(gòu)[20]，前者用于剖面較低或缺乏合適饋線的天線；另外一種是在天線的內(nèi)部設(shè)計(jì)濾波電路[19]。具備微型且性能優(yōu)異的帶阻濾波器是帶阻諧振結(jié)構(gòu)的難題，而濾波電路的方式需要分析濾波電路對(duì)天線其他性能的影響。性能良好的陷波天線在不影響天線輻射性能的同時(shí)還可以提升天線自身的性能。

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 超寬帶天線

UWB天線對(duì)阻抗諧振器和諧振環(huán)設(shè)計(jì)引入陷波特性。電耦合和磁耦合是開(kāi)口諧振環(huán)的2種耦合方式，分別在中間插入電壁時(shí)諧振頻率[18]用式(1)、式(2)表示：

(1)

(2)

包含有電耦合和磁耦合稱為混合耦合，在兩者間插入電壁時(shí)諧振頻率可用式(3)來(lái)表示：

(3)

式中：C為諧振單元的自電容，L為自電感；Lm為互感電感，Cm為互感電容。

本文根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)了具有陷波功能的杯形開(kāi)槽天線，具體介紹如下。

本文設(shè)計(jì)的超寬帶天線如圖1所示，包含輻射片、金屬地板、介質(zhì)板、SMA接頭，且輻射片位于介質(zhì)板頂層，金屬地板位于介質(zhì)板底層，該超寬帶天線屬于印刷單極子天線，在常規(guī)的單極子天線基礎(chǔ)上將輻射片優(yōu)化成“梨”結(jié)構(gòu)，以展寬天線帶寬，優(yōu)化天線方向圖。輻射片與50 Ω特性阻抗線相連；為了利于測(cè)試，微帶線輸入連接SMA接頭，SMA接頭特性阻抗與微帶線相同。通過(guò)調(diào)整輻射片長(zhǎng)和寬，可以改變天線頻率；調(diào)輻射片與金屬底板的間隔gap參數(shù)可以得到更寬的阻抗帶寬。天線介質(zhì)板采用FR4板材，厚度0.8 mm。天線使用HFSS13.0軟件建模，仿真并優(yōu)化天線具體尺寸表1所示。

圖1 超寬帶天線

表1 超寬帶天線尺寸參數(shù)

2.2 超寬帶陷波天線

本文設(shè)計(jì)的超寬帶陷波天線如圖2所示，包含“U”形縫隙輻射片、金屬地板、介質(zhì)板、SMA接頭。該超寬帶陷波天線是在圖1超寬帶天線的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，在超寬帶天線的輻射片上開(kāi)出“U”縫隙，實(shí)現(xiàn)5G通信(3.4～3.6)GHz頻段的陷波?！癠”縫隙的長(zhǎng)度約3.5 GHz的1/4波長(zhǎng)，天線使用HFSS13.0軟件建模，仿真并優(yōu)化，具體參數(shù)尺寸如表2所示。

圖2 超寬帶陷波天線

表2 超寬帶陷波天線尺寸參數(shù)

3 天線結(jié)果分析

3.1 超寬帶天線性能測(cè)試結(jié)果分析

超寬帶天線測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3看出超寬帶天線駐波小于2時(shí)帶寬為2.9～7.5 GHz。圖4為超寬帶天線在5.5 GHz時(shí)交叉極化和主極化天線方向圖。在5.5 GHz時(shí)主極化最大增益為3.69 dB，主極化在phi=0°和phi=90°時(shí)不圓度為3 dB。

圖3 超寬帶天線駐波

圖4 5.5 GHz時(shí)超寬帶天線方向圖

結(jié)合5.5 GHz時(shí)超寬帶天線方向圖，天線輻射方向?yàn)橐粋€(gè)較寬的“8”字，這個(gè)結(jié)果說(shuō)明該陷波天線具備全向的輻射特性能夠滿足超寬帶通訊系統(tǒng)的工作要求。

3.2 超寬帶陷波天線結(jié)果分析

超寬帶陷波天線結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5看出超寬帶陷波天線駐波小于2時(shí)帶寬為2.9～7.5 GHz，陷波帶寬為3.4～3.6 GHz。結(jié)合圖6超寬帶天線在5.5 GHz時(shí)交叉極化和主極化方向圖，在5.5 GHz時(shí)主極化最大增益為3.65 dB，主極化在phi=0°和phi=90°時(shí)不圓度為2.85 dB。由圖4和圖6可以看出在5.5 GHz時(shí)超寬帶天線方向圖與超寬帶陷波天線方向圖基本沒(méi)有變化，主極化最大增益和不圓度基本相同。

圖5 超寬帶陷波天線駐波

圖6 5.5 GHz時(shí)超寬帶陷波天線方向圖

超寬帶陷波天線各頻點(diǎn)最大增益如表3所示。在6.5 GHz時(shí)最大增益為3.96 dB，為最大，這是因?yàn)樵?.5 GHz時(shí)天線尺寸相對(duì)應(yīng)6.5 GHz波長(zhǎng)較長(zhǎng)。在3.5 GHz時(shí)天線最大增益為-3.5 dB，這是因?yàn)樘炀€在3.4～3.6 GHz產(chǎn)生陷波引起的。

表3 天線頻點(diǎn)最大增益

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的超寬帶陷波天線可以使用在UWB通信產(chǎn)品上，因其微型化、低剖面、可內(nèi)置、方便集成等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于UWB定位標(biāo)簽、基站等產(chǎn)品上。在超寬帶天線的輻射片上開(kāi)出“U”縫隙，能夠在UWB頻段內(nèi)穩(wěn)定工作，并屏蔽來(lái)自5G通信信號(hào)的干擾，同時(shí)可通過(guò)改變天線輻射片上縫隙長(zhǎng)度來(lái)改變陷波頻段滿足不同頻段陷波要求，提高該天線在不同場(chǎng)景下的適應(yīng)性。