陳江瑜，龔 雪，宋艷麗，劉德兵

（成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程實(shí)訓(xùn)中心，四川 成都 610100）

0 引 言

隨著無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，超寬帶（UWB，3.1～10.6 GHz）技術(shù)已成為未來(lái)高數(shù)據(jù)速率無(wú)線(xiàn)通信、高精度雷達(dá)和成像系統(tǒng)最有前途的技術(shù)之一[1]。作為UWB系統(tǒng)的重要組成部分，UWB天線(xiàn)引起了研究人員的廣泛關(guān)注。它表現(xiàn)出理想的特性，如緊湊的尺寸、低成本和良好的全向輻射圖，但存在一個(gè)可能的電磁干擾問(wèn)題，因?yàn)樵诜峙浣oUWB系統(tǒng)的帶寬上存在一些用于其他通信系統(tǒng)的窄帶，如工作在5.15～5.825 GHz的WLAN，頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)在7.25～7.75 GHz的下行鏈路。連接到UWB天線(xiàn)的兩個(gè)帶阻濾波器可用于抑制這些頻帶，但是加載濾波器增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。解決此問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單方法是設(shè)計(jì)具有帶陷波特性的UWB天線(xiàn)。據(jù)報(bào)道，具有帶陷波功能的UWB天線(xiàn)大多數(shù)在5.15～5.825 GHz的WLAN中具有一個(gè)帶陷波的頻段[2-4]。最近出現(xiàn)了幾種具有雙陷波頻段[5-7]的天線(xiàn)，已經(jīng)證明可以通過(guò)在輻射貼片[5]中切割的橢圓形槽內(nèi)蝕刻一對(duì)T形短截線(xiàn)或使用U形槽[3,6-7]弧形槽來(lái)獲得天線(xiàn)輻射的帶阻特性。

然而，以上文獻(xiàn)的帶阻頻帶是固定不變的，不能夠隨著特定需求頻帶的改變隨之變化。為了能夠靈活利用超寬帶頻帶的帶阻特性，設(shè)計(jì)一種具有可重構(gòu)的帶阻特性的超寬帶單極子天線(xiàn)得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]通過(guò)加載光敏開(kāi)關(guān)來(lái)控制彎折縫隙的長(zhǎng)度，從而改變帶阻頻帶的變化。文獻(xiàn)[9-10]在微帶饋線(xiàn)上刻蝕縫隙并加載PIN二極管，天線(xiàn)可以在一個(gè)和兩個(gè)帶阻頻帶內(nèi)進(jìn)行切換。文獻(xiàn)[11]則在一對(duì)開(kāi)環(huán)諧振器加載二極管實(shí)現(xiàn)了帶阻特性的連續(xù)可調(diào)。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)原理與基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的多頻帶陷波的超寬帶單極天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）是天線(xiàn)的正面結(jié)構(gòu)圖，圖1（b）是天線(xiàn)的背面結(jié)構(gòu)圖。正面結(jié)構(gòu)包括底部切角的開(kāi)槽矩形貼片和一段50 Ω微帶傳輸，背面結(jié)構(gòu)是中間開(kāi)槽的金屬地。天線(xiàn)的整體尺寸為14.7 mm×18 mm（0.14λg×0.17λg），印制在介質(zhì)基板 FR4，其介電常數(shù)為4.4，介質(zhì)損耗角正切為0.02，厚度為1 mm。在考慮天線(xiàn)整體的帶寬、陷波帶的帶寬以及帶阻特性等方面的前提下，在正面矩形貼片刻蝕一個(gè)U形縫隙和半圓縫隙。在縫隙的設(shè)計(jì)中，本文采用波導(dǎo)波長(zhǎng)，其中λ0是自由空間中的波長(zhǎng)，εeff=(εr+1)/2。

圖1 多頻帶陷波的超寬帶單極子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)采用商業(yè)軟件Ansoft HFSS進(jìn)行仿真，并且對(duì)最終設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖中各個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的具體數(shù)值如表1所示。圖2是仿真的多頻帶陷波的超寬帶單極子天線(xiàn)的仿真結(jié)果圖，天線(xiàn)能分別實(shí)現(xiàn)5.1～5.9 GHz和7.2～8 GHz的阻帶特性，天線(xiàn)反射系數(shù)S11小于-10 dB的帶寬范圍是2.4～5.1 GHz、5.9～7.2 GHz和8～13 GHz。

表1 天線(xiàn)各個(gè)參數(shù)尺寸對(duì)照表

圖2 多頻帶陷波的超寬帶單極子天線(xiàn)仿真結(jié)果圖

為了進(jìn)一步了解天線(xiàn)陷波的工作原理，出了天線(xiàn)在陷波頻率處的表面電流分布。第一個(gè)陷波5.7 GHz頻率處的電流主要集中在下方的方形縫隙，電流路徑長(zhǎng)度 2×（w2+l2）-w3約為λ1/2（λ1為 5.4 GHz對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長(zhǎng)），天線(xiàn)在5.1～5.9 GHz產(chǎn)生一個(gè)阻帶；電流主要集中在上方的半圓縫隙中，電流路徑長(zhǎng)度為πr約為λ2/2（λ2為7.2～8 GHz對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長(zhǎng)），天線(xiàn)在7.2～8 GHz產(chǎn)生另一個(gè)阻帶。

2 可重構(gòu)天線(xiàn)設(shè)計(jì)

為了能夠使該天線(xiàn)能夠產(chǎn)生可重構(gòu)阻帶輻射特性，選用BAR50-02V作為射頻開(kāi)關(guān)，并且在合適位置加載PIN二極管，通過(guò)調(diào)節(jié)二極管狀態(tài)（D1，D2）實(shí)現(xiàn)陷波可重構(gòu)。為了給PIN二極管提供電壓，設(shè)計(jì)直流偏置電路，可以有效防止射頻信號(hào)和直流信號(hào)之間的相互干擾。在偏置電路中引入12 pF的隔直電容（C1、C2）和51 nH的隔離電感（L1），如圖3所示。綜上所述，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)二極管的通斷進(jìn)行切換，使天線(xiàn)具有單頻帶和多頻帶陷波切換的功能。天線(xiàn)工作模式，如表2所示。

圖3 可重構(gòu)多頻帶陷波的超寬帶單極子天線(xiàn)

表2 天線(xiàn)工作模式

二極管BAR50-02V導(dǎo)通時(shí)相當(dāng)于3 Ω的電阻，斷開(kāi)時(shí)，二極管等效為由0.15 pF電容和5 kΩ電阻組成的并聯(lián)電路。圖4為天線(xiàn)各個(gè)模式仿真的反射系數(shù)曲線(xiàn)?？梢钥闯?，當(dāng)二極管D1、D2導(dǎo)通即模式1時(shí)，天線(xiàn)工作在超寬帶；當(dāng)二極管D1、D2閉合即模式2時(shí)，天線(xiàn)陷波頻帶為5.1～5.9 GHz和7.2～8 GHz；當(dāng)二極管D1導(dǎo)通、D2閉合即模式3時(shí)，陷波頻帶為5.1～5.9 GHz；當(dāng)二極管D2導(dǎo)通、D1閉合即模式4時(shí)，天線(xiàn)陷波頻率為7.2～8 GHz，其他頻帶的反射系數(shù)較好。

圖4 可重構(gòu)多頻帶陷波天線(xiàn)加載二極管仿真結(jié)果

如圖5（a）所示，在通帶頻率下，兩個(gè)U型縫隙stub 1和stub 2都不會(huì)對(duì)生成陷波帶產(chǎn)生任何影響。在第一個(gè)陷波頻段，當(dāng)Ls1=λ1/2時(shí)，U型縫隙stub 1等效為終端為短路狀態(tài)的二分之一波長(zhǎng)傳輸線(xiàn)。因此，U型縫隙stub 1表現(xiàn)為具有無(wú)限大的輸入阻抗開(kāi)路串聯(lián)短路線(xiàn)，從而導(dǎo)致饋線(xiàn)和輻射貼片之間的阻抗不匹配，結(jié)果如圖5（b）所示，該頻帶中的反射系數(shù)變大且產(chǎn)生了第一個(gè)陷波頻帶。類(lèi)似地，在第二個(gè)帶阻頻帶處，如圖5（c）所示，當(dāng)Ls2=λ2/2時(shí)，stub 2和stub 1的工作方式類(lèi)似。圖6是天線(xiàn)的實(shí)物加工圖，其中圖6（a）是天線(xiàn)正面結(jié)構(gòu)圖，圖6（b）是天線(xiàn)背面結(jié)構(gòu)圖。

圖7表示該可重構(gòu)帶阻天線(xiàn)的測(cè)量和仿真結(jié)果圖。采用N5230矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線(xiàn)各個(gè)模式（二極管D1、D2導(dǎo)通，D1導(dǎo)通、D2閉合，D1閉合、D2導(dǎo)通，D1、D2閉合）4種狀態(tài)下的駐波比。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，該天線(xiàn)的兩個(gè)帶阻帶寬5.2～6 GHz和7.3～8.1 GHz可以隨著二極管的導(dǎo)通和關(guān)閉靈活切換。通過(guò)仿真和測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果有向上的偏移，可能是由于SMA接頭或者加工誤差帶來(lái)的影響。圖8是測(cè)量的可重構(gòu)帶阻天線(xiàn)在二極管D1、D2閉合時(shí)的天線(xiàn)方向圖，分別畫(huà)出了天線(xiàn)在4 GHz、6.5 GHz和9 GHz的天線(xiàn)方向圖。

圖5 天線(xiàn)傳輸線(xiàn)模型（帶有源阻抗和天線(xiàn)阻抗）

圖6 天線(xiàn)加工實(shí)物圖

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款具有雙阻帶可重構(gòu)的超寬帶天線(xiàn)，通過(guò)在CPW被面加載兩對(duì)開(kāi)口諧振環(huán)SRR，使得天線(xiàn)在5.2～6 GHz和7.3～8.1 GHz雙個(gè)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了帶阻可調(diào)特性，能夠有效抑制無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中WLAN（5.15～5.825 GHz）和X頻段衛(wèi)星下行通信（7.25～7.75 GHz）的干擾。通過(guò)加工測(cè)量天線(xiàn)的反射系數(shù)發(fā)現(xiàn)，該天線(xiàn)的仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果較為吻合，且天線(xiàn)的輻射特性較好，能夠應(yīng)用在未來(lái)的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備中。

圖7 可重構(gòu)帶阻天線(xiàn)測(cè)量和仿真結(jié)果圖

圖8 天線(xiàn)輻射方向