陷波可重构的超宽带缝隙天线设计

陈 菁，张 骞，马润波，韩丽萍

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

自从美国联邦通信委员会将3.1～10.6 GHz频段规定为民用超宽带频段以来，超宽带技术突破了在军事通信和雷达遥感中的应用局限，成为短距离、高传输速率的商业和民用无线通信系统研究热点. 由于缝隙天线具有阻抗带宽宽、结构简单、易于与其它微波电路相集成等特性，故超宽带缝隙天线成为近年来国内外学者的研究热点[1-2]. 文献[1]采用锥形缝隙改善天线的阻抗匹配，从而实现超宽带； 文献[2]通过加载L型枝节产生新的谐振频点来拓展带宽，实现超宽带.

超宽带通信系统的工作频段覆盖其它窄带通信系统频段，如WiMAX频段(3.3～3.7 GHz)、C波段(3.7～4.2 GHz)和WLAN频段(5.15～5.825 GHz). 为了抑制这些窄带通信系统与超宽带通信系统间的相互干扰，研究具有陷波特性的超宽带天线迫在眉睫. 文献[3-5]通过加载倒T型枝节、C型枝节、L型枝节实现陷波功能； 文献[6-8]通过在辐射枝节刻蚀∏型、倒V型、S型缝隙产生陷波. 为了进一步提高超宽带系统的性能，需要根据实际应用实时改变陷波频段. 近年来，学者们提出了一些陷波可重构超宽带缝隙天线的设计方案. 文献[6]通过在矩形辐射枝节刻蚀倒U型缝隙，并且在缝隙上加载PIN二极管，通过控制二极管的工作状态实现陷波可调； 文献[9]通过加载倒Γ型枝节和矩形开口谐振环实现双陷波特性，在枝节和开口谐振环的适当位置加载PIN二极管，并通过控制二极管的导通和断开状态实现陷波可重构.

本文提出一种陷波可重构的超宽带缝隙天线. 为了实现超宽带，天线采用六边形缝隙和带矩形辐射枝节的渐变馈线，通过在馈线旁加载倒L型寄生结构以及在矩形枝节刻蚀倒U型缝隙，天线可分别实现WiMAX频段和WLAN频段的陷波. 通过控制加载在寄生结构和缝隙上的开关元件状态，实现陷波可调，从而使天线工作在超宽带、WiMAX频段陷波、WLAN频段陷波、WiMAX和WLAN频段双陷波4种模式.

1 天线设计

天线的结构如图 1 所示，介质基板的上表面是带矩形辐射枝节的渐变微带馈线，下表面是刻蚀六边形缝隙的接地板. 馈线旁加载一个倒L型寄生结构实现WiMAX频段陷波，矩形枝节上刻蚀倒U型缝隙实现WLAN频段陷波. 倒L型寄生结构和U型缝隙上分别加载一个理想开关，通过控制开关的通断可使天线工作在超宽带、两个单频带陷波和一个双频带陷波4种模式. 天线印制在相对介电常数为4.4，厚度为0.8 mm的FR4介质基板上，利用商用电磁软件HFSS进行仿真分析. 优化的参数为：L=24.5 mm,W=20.5 mm,lf=7 mm,wf=1.5 mm,lp=7 mm,wp=7 mm,l1=6 mm,w1=0.55 mm,l2=15.5 mm,w2=8 mm,l3=5.5 mm,w3=1.8 mm,l4=0.5 mm,w4=1.5 mm,lg1=3 mm,wg1=1.75 mm,ls=16 mm,ws=19 mm,l5=2.5 mm,w5=5 mm,lg=6 mm. 仿真中，用铜片的有无模拟开关的导通和断开，天线的工作模式如表 1 所示.

图 1 天线结构示意图Fig.1 Configuration of the antenna

S1S2Mode 1offonMode 2ononMode 3offoffMode 4onoff

图 2 为天线仿真的反射系数曲线. 从图 2 中可以看出：当开关S1断开、S2导通时(模式1)，天线工作频段为3.1～10.6 GHz，实现了超宽带模式； 当开关S1,S2均导通时(模式2)，天线陷波频段为3.3～3.9 GHz，在WiMAX频段具有陷波特性； 当开关S1,S2均断开时(模式3)，天线陷波频段为5.0～5.95 GHz，在WLAN频段具有陷波特性； 当开关S1导通、S2断开时(模式4)，天线陷波频段为3.3～3.95 GHz和5.1～5.9 GHz，在WiMAX频段和WLAN频段具有陷波特性.

图 2 天线反射系数Fig.2 Reflection coefficients of the antenna

2 参数分析

通过对天线进行敏感性分析，我们发现lp和w1主要影响天线在模式1时的性能，倒L型结构和倒U型缝隙的长度(lstub=l2+w2和lslot=2×l3+2×w3+2×w4)分别是影响天线在模式2和模式3时性能的主要因素. 分析某一参数对天线性能的影响时，其它参数均保持不变. 图 3 和图 4 分别给出模式1情况下lp和w1对天线反射系数的影响. 从图 3 可看出，随着lp的增加，最低频点向上偏移. 从图 4 可看出，采用普通馈线(w1=0 mm)时，天线在4 GHz和8.5 GHz处的阻抗匹配较差，采用渐变馈线能够改善天线的匹配性能，4 GHz和8.5 GHz处的匹配随着w1的增大逐渐变好. 图 5 和图 6 分别给出模式2和模式3情况下lstub和lslot对天线反射系数的影响：随着lstub和lslot的增大，天线陷波频段的中心频率均逐渐变小.

图 3 模式1时lp对反射系数的影响Fig.3 Effect of lp on reflection coefficients in mode 1

图 4 模式1时w1对反射系数的影响Fig.4 Effect of w1 on reflection coefficients in mode 1

图 5 模式2时lstub对反射系数的影响 Fig.5 Effect of lstub on reflection coefficients in mode 2

图 6 模式3时lslot对反射系数的影响Fig.6 Effect of lslot on reflection coefficients in mode 3

3 结果与讨论

天线印制在相对介电常数为4.4、厚度为0.8 mm、介质损耗角正切为0.02的FR4介质基板上，图 7 为天线的实物图. 采用Agilent公司N5230A矢量网络分析仪测量天线的反射系数； 采用Lab-Volt公司8092型自动天线测量系统测量天线的方向图.

图 7 天线实物图Fig.7 Photos of the antenna

图 8 为天线测量的反射系数曲线，与图 2 所示仿真结果基本吻合. 测量结果表明：天线可以工作在超宽带、两个单频带陷波和一个双频带陷波4种模式. 模式1时，天线工作频段为3.1～10.6 GHz，可以覆盖整个UWB频段； 模式2和3时，天线陷波频段分别为3.25～4.05和5.2～6.13 GHz，分别涵盖WiMAX和WLAN频段； 模式4时，天线陷波频段为3.3～4.12 GHz和5.2～6.1 GHz，涵盖WiMAX和WLAN频段. 仿真和测量结果的差异主要由介质基板介电常数的偏差以及制作误差引起. 图 9 是天线在模式4时测量的归一化辐射方向图. 由图 9 可知：H面方向图基本是全向型，E面的方向图基本呈“8”字型.

图 8 测量反射系数Fig.8 Measured reflection coefficients

图 9 测量辐射方向图Fig.9 Measured radiation patterns

4 结 论

本文提出一种应用于超宽带通信系统的陷波可重构缝隙天线. 采用六边形缝隙和带矩形辐射枝节的渐变馈线实现超宽带. 通过加载寄生结构、刻蚀缝隙分别实现WiMAX和WLAN频段的陷波，通过控制寄生结构和缝隙上开关元件的工作状态实现陷波可重构. 天线可以工作在超宽带、WiMAX频段陷波、WLAN频段陷波、WiMAX和WLAN频段双陷波4种模式.