多功能可调谐超宽带陷波天线设计与实现

庄华伟，巩皓冰，袁华中，张吉祥

(1.山东建筑大学信息与电气工程学院，山东 济南 250101；2.山东省智能建筑技术重点实验室，山东 济南250101；3.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101)

0 引言

近年来，随着无线通信技术的飞速发展以及网络覆盖区域日益增多，人们对现代通信多业务、高速率、高质量的要求也在急剧增加。天线处于无线通信系统架构的最前端，在无线通信中起着至关重要的作用，成为现代无线通信中最受关注的技术领域之一。目前，国内外天线的研究主要面向小型化、宽频带和多频段的方向发展[1-7]。在诸多天线中，微带天线有着重量轻、体积小、低剖面、电性能多样化、易集成和易共形的特点，已广泛应用于飞行器、卫星通信、遥感技术和雷达等领域[8-9]。然而，传统的微带天线结构独特，存在带宽度窄的缺陷，无法满足现代无线宽带及超宽带通信系统要求。超宽带UWB(Ultra-Wide Band)天线最早起源于单极子天线，在其基础上进一步发展出了圆形及椭圆形结构。近年来，基于印刷电路板的超宽带天线因其制作成本低、易于集成等特点，得到了学者们的重视，逐渐成为超宽带天线研究的趋势和热点。目前，研究人员通过增加介质层厚度、修改其介电常数、采用枝节加载技术、在贴片内刻蚀不同宽度的缝隙以及调整微带天线的物理结构等方法增加谐振点进而实现微带天线的频带展宽[10-12]。

为了避免无线局域网、无线城域网、卫星通讯以及5G移动通信等应用与超宽带通信系统频带交叠，学者们专注于对微带结构进行改造，以满足天线在特定频段的陷波特性[13]。目前，多种陷波实现技术相继提出，如在馈电前端增加滤波器结构、在天线侧加载谐振枝节、在馈线或接地板上刻蚀槽型缝隙等[14-19]。但是，现有的陷波天线存在可调谐性差、尺寸大、结构复杂以及难以调控等缺点，很难大规模推广和应用。文章借助传统的耦合模式方法，设计并研究了一种多功能可调谐超宽带陷波天线；利用矩形环贴片谐振结构实现频段在3.1～10.6 GHz，引入特定尺寸的寄生谐振单元来实现陷波特性，通过调节寄生单元的长度(宽度)实现陷波功能的可调谐性，并完成天线的制作与测试。

1 超宽带陷波天线结构与工作原理

1.1 超宽带陷波天线结构

选择体积小、易集成的微带天线，利用HFSS软件进行设计仿真与性能优化[20-21]。所设计的天线是以单级子天线结构为基础改造而成的一种新型贴片天线，结构如图1所示。整个天线由介质层、矩形环辐射单元、寄生单元、微带馈线以及参考地构成。其中，辐射单元、寄生单元和微带馈线位于介质层的上侧，而参考地则位于介质层的下侧。辐射单元、寄生单元、馈线以及参考地均采用铜材料，其电导率为5.8×107S/m。

图1 UWB陷波天线结构尺寸示意图

1.2 超宽带陷波天线工作原理

UWB陷波天线工作原理是利用同轴线馈电在其辐射单元和地板之间的缝隙产生电势差，在周围产生特定的电场分布。由于时变电场会感应出相应的时变磁场，使得天线产生向外辐射的电磁波。对天线辐射场的详细分析结果，通常是在给定边界条件下求解麦克斯韦方程组获得。天线整体尺寸为W1×L1(35 mm×30 mm)，在其上层中间设置矩形环贴片辐射单元。作为一种单极子天线引申物，天线的有效长度度约等于天线谐振时对应工作波长的1/4，由式(1)和(2)表示为

式中:Leff为天线有效波长，mm；εeff为天线有效相对介电常数；fr为谐振频率，Hz；c为光速，m/s；εr为相对介电常数，其值为为介质板厚度，mm；W5为微带馈线的宽度，mm。

通过不断调节各矩形贴片的长度(宽度)值以拓展不同矩形贴片谐振频率及频带宽度，最终满足天线的超宽带特性。陷波的实现是在矩形环中央靠近馈电侧连接尺寸为W4×G1的矩形寄生谐振单元，其谐振频率由式(3)表示为

式中:fn为寄生单元谐振频率，Hz；L为寄生谐振单元有效长度，mm，取决于寄生单元长度G1值。利用寄生谐振单元谐振时，与矩形环电磁能量相互耦合，导致谐振频率附近辐射抑制，进而产生陷波效应。

2 超宽带陷波天线的设计与实现

UWB陷波天线的设计思路是通过调节矩形辐射单元尺寸来实现天线的宽频带特性，在此基础上加入寄生单元实现某一频段内的陷波特性。根据以上设计思路，利用HFSS电磁仿真软件建模[20]，制作天线实物，通过矢量网络分析仪对微带天线实物进行测试，并将所测结果与仿真数据相比较来验证设计思路的可靠性和可行性。

2.1 超宽带特性的实现

在设计过程中，介质基板选用电气性能优良的FR4材料，相对介电常数εd为 4.4，损耗角正切tanδ为0.02，基板尺寸为 35 mm ×30 mm，厚度为1.6 mm。超宽带特性的实现是通过在介质基板上用多个矩形贴片组合成一个方形环状天线。微带线馈电点的位置选择辐射贴片的中点，馈电点与辐射贴片边缘距离为L3，对于介质基片厚度为1.6 mm的FR4环氧树脂板的微带天线，通过计算得出当微带天线馈线宽度W5为3.4 mm时，在整个宽频带内其输入阻抗约控制在50 Ω。

利用矩形环结构中相邻贴片之间耦合，不断调节尺寸参数增加谐振点来扩宽频带。利用全波仿真软件HFSS，对不同长度的W2、W3变量分别进行仿真分析，同时兼顾最小反射系数和可用带宽，超宽带天线变量优化图与优化后的电压驻波比VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)分布如图2所示。由图2(a)可看出，在W2为 16 mm时，天线回波损耗S11在5.6～7.2 GHz频段内＞-10dB，不符合超宽带特性；再对比其他两条曲线，W2为15 mm时，其反射系数更小，特性更好，故该长度为最优长度。在图2(b)中，当W3为3.35 mm时为最优长度。通过不断的分析与优化，当W2为 15 mm、W3为 3.35 mm、L2为15 mm以及L5为2.5 mm时，可保证该贴片组合在3.1～10.6 GHz频段内均满足回波损耗＜-10 dB。在确定天线最终尺寸后仿真得到其VSWR结果，如图2(b)中红色实线所示。所得VSWR在整个频段内均＜2，基本处于1.0～1.5，可以很好地满足UWB通信要求，实现微带天线的超宽带特性。

图2超宽带天线变量优化图与优化后的电压驻波比分布图

2.2 陷波特性的实现

为了实现天线多功能特性且不受其它无线通信系统的交叠影响，在超宽带的基础上利用陷波技术抑制辐射进而屏蔽干扰。为此，需要在产生陷波的频段内抑制电磁辐射能量。在矩形环内，引入长度约为1/4陷波中心频率谐振波长的寄生谐振单元来实现阻带特性。微带天线作为一种单极子天线的引申物，大多是利用式(3)根据其等效尺寸得出产生回波损耗最小值的谐振频点，而其波形各频点及其对应极值的取值一般采用软件仿真或实测的方法求得。从电路的观点来看，认为天线是一个有耗的端口网络，其功率的消耗等价于其辐射功率。目前，天线的电路结构大多采用低损耗的电阻电容(RC)串联谐振或电阻电感电容(RLC)并联谐振电路模型来等效，其具体参数值则要利用仿真结果不断微调其等效模型来获取[22]。

在方形环内引入一个尺寸为G1×W4的寄生单元，利用其与矩形环谐振器同时谐振产生耦合干涉导致辐射抑制，进而产生陷波效应。根据仿真优化结果得出的天线尺寸参数值见表1。利用专业刻蚀加工技术制作了天线实物，尺寸较普通硬币略大。

在微波暗室内，利用矢量网络分析仪测量天线实物的回波损耗S11和VSWR，如图3所示。在带宽为3.1～10.6 GHz的通频带内，天线在陷波频段内回波损耗＜-10 dB，VSWR基本＜2，与仿真结果基本一致。在常用的5.15～5.85 GHz频段处，驻波比显著上升，出现了良好的陷波效果。但实测的回波损耗S11在7.0～8.5 GHz频段内有升高趋势，且驻波比数值较仿真结果略微偏大。存在差异的原因，主要包括天线加工过程中的尺寸误差、同轴反极性公头的焊接工艺以及材料本身产生的误差等[18-19]。测试结果和仿真结果基本吻合，满足设计要求，从而证实该新型超宽带陷波UWB天线的设计是成功且具有应用价值的。

表1 天线尺寸参数表/mm

图3 UWB陷波天线仿真与实测对比图

为了更直观地分析其陷波特性，进一步给出了UWB微带天线在3.5、5.8 GHz时的电流分布，如图4所示。

图4 UWB陷波天线电流分布图

当频率为3.5 GHz时，天线处于通频带，电流分布于矩形环内并产生谐振，有利于电磁能量的辐射。利用寄生枝节来实现陷波特性在陷波谐振点处的表面电流主要集中在枝节处而在辐射单元部分电流很少[15]。其产生机理是在枝节谐振时导致天线谐振阻抗与馈线失配，致使能量被大量反射回馈电测。与此不同，在陷波频率为5.8 GHz时，电流同时分布在矩形环辐射贴片和寄生单元表面，使二者能量产生相互耦合效应。寄生谐振单元与矩形环辐射贴片同时谐振，由于二者距离很近，致使2部分能量相互耦合产生类似于电磁诱导透明传输特性EIT(Electromagnetically Induced Transparency)的透明窗口内的辐射隔离带，导致部分电磁能量无法正常辐射出去，进而在该频段形成陷波。

对其电场增益进行仿真，进一步分析其辐射与陷波特性，如图5所示。天线在3.5、5.8 GHz的电场3D增益图分别如图5(a)、(b)所示。不难看出，在面yOz方向上有着非常好的全向辐射特性，增益效果非常好且在面xOy方向上接近双向模式；因陷波抑制其辐射能量明显减小，xOy方向辐射明显降低，仅在垂直于xOy平面上辐射较强。xOy面归一化的2D辐射方向图如图5(c)所示。不难看出，作为一种单极子天线演变产物，该天线符合宽波束特性，在陷波频段(5.8 GHz)内辐射范围有所减小。这次设计可以为超宽带系统的运行提供一个大而均匀的覆盖范围。在通带，天线增益稳定地变化在3～4 dBi之间，发射效率＞50%；而在阻带上，其增益和效率都较低。通过以上分析可以很好地验证设计思路的可行性。

图5 UWB陷波天线3D电场增益图与辐射方向图

2.3 可调谐功能的实现

寄生单元谐振频率取决于其尺寸，通过改变其长度(宽度)分析其对陷波抑制的影响，进而实现对天线结构的性能优化。利用HFSS软件分别对寄生单元长度G1和宽度W4分别进行优化，结果如图6所示。将寄生单元宽度W4固定为3 mm长度，G1取1～6 mm时，陷波中心频率产生明显的红移，可调节范围在3.5～7.0 GHz之间。 而当G1固定为5 mm，W4由1 mm增加到5 mm时，陷波中心频率产生红移，但变化不够明显。因此，通常选择寄生单元长度G1作为可调谐变量，根据不同需求来改变G1值实现不同的陷波功能，以适应未来不同的应用环境。

图6 UWB陷波天线寄生单元尺寸变化回波损耗S11参数分布图

现阶段，在UWB天线产生陷波效应主要通过在馈线、接地板或辐射单元上刻蚀不同形状的槽型结构来实现，利用槽型结构隔断电流流向导致多点谐振并产生陷波。由于电流流向的不确定使得槽型结构尺寸与陷波谐振点无法满足线性对应关系故无法实现对陷波频率的精确操控。同时，利用在馈线侧加接谐振枝节也可产生陷波效应，但是增加的枝节会导致天线尺寸的进一步增加，同时增加了刻蚀加工的复杂度。因此，通过上述陷波天线可调谐性能的分析，可实现陷波频率的完美操控。同时天线结构简单、尺寸小，易于刻蚀加工与生产。

3 结论

在现有微带天线的基础上，文章设计并制作了一种多功能可调谐UWB陷波天线，并将天线实物测试数据与仿真数据相比较，分析了其超宽带、陷波等特性，主要结论如下:

(1)所设计的天线可覆盖频率范围为3.1～10.6 GHz，且在除陷波频段外，回波损耗均＜-10 dB、电压驻波比基本＜2，发射效率＞50%，可达到良好的增益、全向辐射特性。

(2)利用矩形环贴片结构实现宽频带特性，在矩形环内引入寄生谐振单元抑制特定频段天线的辐射特性，即产生陷波效应，改变寄生谐振单元的尺寸，可满足特定频段内的陷波特性。