基于交叉縫隙的陷波可重構(gòu)超寬帶天線

王欣宇，張文梅

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引 言

隨著無(wú)線電通信的迅速發(fā)展，超寬帶天線得到了廣泛的關(guān)注.文獻(xiàn)[1]采用錐形縫隙改善天線的阻抗帶寬，從而實(shí)現(xiàn)超寬帶.文獻(xiàn)[2]通過(guò)加載L型寄生貼片產(chǎn)生新的諧振點(diǎn)來(lái)拓展帶寬，實(shí)現(xiàn)超寬帶.但是，由于頻譜資源日益匱乏，為了提高頻譜的利用率，可重構(gòu)天線飛速發(fā)展，其中，頻率可重構(gòu)天線因其尺寸小，易于集成，工作頻率易調(diào)諧等優(yōu)勢(shì)在可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)中占有重要地位.

常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)的方法有3種.第1種是通過(guò)控制PIN二極管的通斷或者改變可變電容的電容值實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu).文獻(xiàn)[3]提出一種縫隙天線饋電的頻率可重構(gòu)天線，通過(guò)控制設(shè)置在接地面縫隙中的5個(gè)PIN二級(jí)管的通斷，天線在1.98 GHz～3.59 GHz之間實(shí)現(xiàn)了9個(gè)不同頻段的可重構(gòu)；文獻(xiàn)[4]中天線通過(guò)控制PIN二極管的通斷狀態(tài)，從而改變微帶貼片的表面電流路徑，使得天線在5.1 GHz～5.9 GHz頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)7種工作模式；文獻(xiàn)[5]提出一種領(lǐng)結(jié)形頻率可重構(gòu)天線，通過(guò)在領(lǐng)結(jié)臂上對(duì)稱地加載變?nèi)荻O管，改變變?nèi)荻O管的電容值，從而改變天線的有效電流路徑，使得天線實(shí)現(xiàn)3.21 GHz～5.24 GHz 的頻率變化；文獻(xiàn)[6]中可重構(gòu)MIMO天線通過(guò)在環(huán)形縫隙中加載變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu).

第2種是通過(guò)采用具有特殊性能的材料實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu).文獻(xiàn)[7]通過(guò)改變一種油性液體材料的厚度實(shí)現(xiàn)天線在1.4 GHz～1.9 GHz頻段范圍內(nèi)的可重構(gòu)特性；文獻(xiàn)[8]通過(guò)在矩形微帶貼片天線下方添加一種液晶材料，利用液晶材料各向異性的特點(diǎn)，通過(guò)加載不同幅值的偏置電壓，使得天線實(shí)現(xiàn)2.2 GHz～2.6 GHz的頻率可重構(gòu)特性.

第3種是通過(guò)改變天線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu).文獻(xiàn)[9]提出了一種將超寬帶天線和頻率可重構(gòu)天線集成在同一介質(zhì)基板的新型可重構(gòu)天線，通過(guò)180°旋轉(zhuǎn)天線貼片，產(chǎn)生不同的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)；文獻(xiàn)[10]利用步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)裝有5個(gè)不同貼片天線的圓盤(pán)，在每個(gè)旋轉(zhuǎn)階段，微帶線激勵(lì)不同的貼片從而獲得不同的頻率，實(shí)現(xiàn)可重構(gòu).

本文設(shè)計(jì)了一種基于交叉縫隙的陷波可重構(gòu)超寬帶天線.利用帶有寄生貼片的超表面，有效拓展了天線的工作帶寬，并通過(guò)控制接地面上兩個(gè)交叉縫隙中8個(gè)PIN二極管的通斷，實(shí)現(xiàn)5種工作模式.結(jié)果表明，天線實(shí)現(xiàn)了1種超寬帶模式、3種單陷波模式和1種雙陷波模式.

1 天線設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款陷波可重構(gòu)超寬帶天線，具體的設(shè)計(jì)過(guò)程是：首先，設(shè)計(jì)超寬帶天線，然后，在超寬帶天線的接地面上刻蝕交叉縫隙，并在縫隙中加載二極管，通過(guò)控制二極管的通斷實(shí)現(xiàn)天線的陷波可重構(gòu).超寬帶天線的工作范圍為3.5 GHz～8 GHz，為了抑制了來(lái)自WiMAX和WLAN系統(tǒng)的干擾，陷波頻率設(shè)計(jì)在3.9 GHz, 4.9 GHz和5.6 GHz.

1.1 超寬帶天線設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的超寬帶天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示.天線采用介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.001的FR4-epoxy介質(zhì)基板，貼片和接地板分布刻蝕在介質(zhì)基板的上下表面.貼片包括3×3個(gè)單元組成的圓形超表面和寬度漸變的矩形微帶線，以及圓形超表面的上側(cè)、下側(cè)和左側(cè)增加的半橢圓形寄生貼片.在介質(zhì)基板下方刻蝕一個(gè)矩形接地面為微帶線饋電.該天線通過(guò)用超表面代替普通矩形貼片，并進(jìn)一步優(yōu)化超表面拓展了帶寬，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，相應(yīng)的分析結(jié)果如圖2，圖3 所示.

(a)側(cè)視圖

表1 超寬帶天線結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖2 給出了加載傳統(tǒng)矩形貼片和圓形超表面貼片對(duì)應(yīng)天線的S11.仿真結(jié)果表明，加載傳統(tǒng)矩形貼片時(shí)，天線在6.5 GHz處的阻抗匹配性能較差；加載圓形超表面時(shí)，天線的阻抗帶寬為3.5 GHz～8 GHz，帶寬得到拓展，阻抗匹配較好，覆蓋了L波段、S波段以及C波段.

圖2 傳統(tǒng)矩形貼片天線與圓形超表面貼片天線的S11對(duì)比

圖3 給出了超表面半徑r對(duì)天線S11的影響.從圖3 中可以得到，當(dāng)半徑r=1 mm時(shí)，天線的-10 dB 阻抗帶寬為 5 GHz～7.5 GHz(2.5 GHz)，諧振頻率為5.78 GHz；隨著r增加到 2 mm時(shí)，帶寬變化不明顯；繼續(xù)增加r的大小，即r=3 mm時(shí)，在3.9 GHz處產(chǎn)生一個(gè)新的諧振點(diǎn)，天線的-10 dB阻抗帶寬為3.5 GHz～8 GHz(4.5 GHz)，帶寬加寬2 GHz，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；當(dāng)r=4 mm時(shí)，天線在5 GHz處的S11大于-10 dB.因此，最終選擇超表面半徑r=3 mm.

圖3 參數(shù)r變化對(duì)天線S11的影響

1.2 陷波可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)

為了有效抑制WiMAX和WLAN系統(tǒng)對(duì)超寬帶天線的干擾，需要超寬帶天線在工作范圍內(nèi)產(chǎn)生陷波.因此，在超寬帶天線的接地面上增加兩組交叉縫隙，此時(shí)接地面結(jié)構(gòu)如圖4 所示.為了實(shí)現(xiàn)天線的陷波可重構(gòu)特性，在交叉縫隙內(nèi)設(shè)置了8個(gè)尺寸為1 mm×1 mm的PIN二極管(D1～D8).在交叉縫隙的外圍設(shè)計(jì)了方環(huán)縫隙，當(dāng)對(duì)中心方形貼片施加負(fù)電壓，梯形貼片施加正電壓時(shí)，PIN二極管導(dǎo)通.陷波可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示，相應(yīng)的分析結(jié)果如圖5 和表3 所示.圖5 給出了有無(wú)交叉縫隙對(duì)應(yīng)天線的S11.未加載縫隙時(shí)，天線覆蓋3.5 GHz～8 GHz的頻率范圍；加載縫隙后，天線在5.6 GHz處產(chǎn)生陷波.

圖4 陷波可重構(gòu)天線背面圖

圖5 天線有無(wú)交叉縫隙的S11對(duì)比

表2 可重構(gòu)天線結(jié)構(gòu)參數(shù)表

通過(guò)控制8個(gè)PIN二極管的通斷狀態(tài)，使天線可以工作在超寬帶、3個(gè)單頻帶陷波和一個(gè)雙頻帶陷波模式下，表3 給出了天線5種工作模式對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài).當(dāng)二極管D2, D3, D4, D5導(dǎo)通時(shí)，天線工作在超寬帶(模式1)狀態(tài)，帶寬為3.5 GHz～8 GHz；當(dāng)D1, D3, D5, D7導(dǎo)通時(shí)，天線在超寬帶工作帶寬內(nèi)獲得3.9 GHz陷波(模式2)；當(dāng)D2, D7斷開(kāi)，其余都導(dǎo)通時(shí)，天線獲得4.9 GHz陷波(模式3)；當(dāng)所有的二極管都處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，天線獲得5.6 GHz陷波(模式4)；當(dāng)D3, D5, D6, D8導(dǎo)通時(shí)，天線在超寬帶工作帶寬內(nèi)獲得4.9 GHz和5.6 GHz雙陷波(模式5).

表3 天線的5種工作模式

為了分析天線陷波可重構(gòu)的形成原理，圖6 給出了天線在不同模式下接地面的電流分布.當(dāng)天線工作在模式1時(shí)，電流主要集中在接地面的中心以及上邊緣，使得天線產(chǎn)生有效輻射；當(dāng)天線工作在模式2，3，4時(shí)，可以看到原本在模式1狀態(tài)下集中在接地面中心的電流，分散出一部分集中在交叉縫隙以及導(dǎo)通的PIN二極管的附近，電流路徑發(fā)生改變，且有效電流路徑的長(zhǎng)度約為λ/4(λ為陷波頻率對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長(zhǎng))，能量輻射遭到削弱，因此天線在相應(yīng)的PIN二極管導(dǎo)通時(shí)，會(huì)在3.9 GHz，4.9 GHz，5.6 GHz處產(chǎn)生陷波.

(a)模式1

2 參數(shù)分析

本節(jié)討論了交叉縫隙的間隔c以及方環(huán)縫隙的寬度y對(duì)天線陷波可重構(gòu)特性的影響，結(jié)果如圖7，圖8 所示.為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，在分析每個(gè)參數(shù)的影響時(shí)，其他參數(shù)均保持不變.

圖7 縫隙間隔c對(duì)天線的影響

圖8 方環(huán)縫隙寬度y對(duì)天線的影響

圖7 對(duì)比了模式2下，不同的縫隙間隔c對(duì)天線陷波性能的影響，此時(shí)，PIN二極管D1，D3，D5，D7處于導(dǎo)通狀態(tài)，其他均處于關(guān)閉狀態(tài).從圖7 中可以得到，當(dāng)c=5 mm時(shí)，天線在5.7 GHz 和7.9 GHz處產(chǎn)生陷波；當(dāng)c=7 mm時(shí)，天線在3.9 GHz處產(chǎn)生陷波，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；當(dāng)c=9 mm時(shí)，天線在4.1 GHz處產(chǎn)生陷波，陷波頻率發(fā)生右移.

圖8 對(duì)比了模式4下，方環(huán)縫隙寬度y對(duì)天線陷波性能的影響，此時(shí)，所有PIN二極管處于關(guān)閉狀態(tài).可以看出，當(dāng)方環(huán)縫隙的寬度y從0.5 mm增加到1.5 mm時(shí)，天線所產(chǎn)生的陷波頻率從 4.9 GHz 右移到了5.2 GHz.最終選取方環(huán)縫隙寬度y為1 mm.

3 仿真結(jié)果與討論

將本文所提出的基于交叉縫隙的陷波可重構(gòu)超寬帶天線制作加工，其實(shí)物照片如圖9 所示.用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)加工的天線進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖10，圖11 所示.

圖9 天線實(shí)物照片

圖10 給出了測(cè)試以及仿真的天線S11曲線.從圖10 中可以看出，天線工作在模式1時(shí)帶寬覆蓋3.5 GHz～8 GHz，在此頻段內(nèi)，S11均低于-10 dB；模式2，3，4時(shí)分別在3.8 GHz～4.1 GHz, 4.7 GHz～5.2 GHz, 5.3 GHz～5.85 GHz 頻段內(nèi)產(chǎn)生陷波；模式5時(shí)在 4.7 GHz～5.2 GHz和5.6 GHz～5.8 GHz頻段處產(chǎn)生雙陷波，天線在陷波頻帶外仍保持良好的阻抗匹配.測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，但是由于PIN二極管施加恒定電壓時(shí)對(duì)接地面的表面電流分布產(chǎn)生的影響，以及天線制作時(shí)的誤差，雙陷波模式在5.6 GHz處的陷波不夠明顯.

(a)仿真結(jié)果

圖11 給出了天線工作在5種模式下 3.8 GHz 處的輻射方向圖.從圖11 中可以看出，所有模式H面(yz面)的方向圖比較穩(wěn)定，近似為圓形，說(shuō)明天線具有全方向輻射特性.天線在E面(xz面)的方向圖基本呈類8字形，最大輻射方向基本都在θ=15°方向，只是在模式3時(shí)，270°方向上的輻射略有增加，但對(duì)天線的陷波可重構(gòu)特性影響較小.

(a)模式1

為了進(jìn)一步證明所提出陷波可重構(gòu)超寬帶天線的優(yōu)勢(shì)，表4 給出了與其他相關(guān)天線[3-6]性能的比較.文獻(xiàn)[3-6]通過(guò)采用偏置電路控制PIN二極管或變?nèi)荻O管的通斷實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)，但由于偏置電路中包含多個(gè)電容電感元件，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，成本較高.本文所提出的可重構(gòu)天線具有相對(duì)較小的尺寸，只需要對(duì)不同的貼片施加正負(fù)電壓即可控制PIN二極管，相較于使用偏置電路更為簡(jiǎn)單便捷.

表4 所設(shè)計(jì)天線與其他參考天線比較

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于認(rèn)知無(wú)線電領(lǐng)域的基于交叉縫隙的陷波可重構(gòu)超寬帶天線.天線采用帶有寄生貼片的超表面作為輻射貼片，有效擴(kuò)展了工作帶寬.通過(guò)控制接地面縫隙中8個(gè)PIN二極管的通斷，可以使天線工作在超寬帶、3個(gè)單頻帶陷波和一個(gè)雙頻帶陷波5種模式下，從而實(shí)現(xiàn)了天線的陷波可重構(gòu)特性.所設(shè)計(jì)的天線具有尺寸小，工作模式豐富，控制方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在認(rèn)知無(wú)線電領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用前景.