一种陷波可重构的超宽带天线设计与研究

梁 青，王 超，苏正东，熊 伟

1.西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121；2.西京学院 理学院，陕西 西安 710199)

0 引言

自美国联邦通信委员会(FCC)于2002年发布了将3.1～10.6 GHz频段用于超宽带通信，并将其用于商业应用中的超宽带(UWB)通信频段以来[1]，由于其数据传输的高速性和多径干扰的良好抗干扰能力，使得UWB通信的研究领域倍受关注。至此，UWB通信技术被认为是最有研究价值的技术之一[2]。然而，由于窄带通信频段的存在，使得UWB系统在工作时，窄带通信频段可能会对UWB通信系统产生干扰。为了避免这种干扰，起初研究人员通过将天线和带阻滤波器连接在一起，天线工作时能产生陷波功能，但随着通信技术和微波器件朝着集成化方面的发展，该方法渐渐被人们忽视。后来，研究人员发现，在天线上刻蚀几何形状的缝隙[3-5]、添加寄生单元[6-8]、引入谐振枝节[9-10]等也能产生陷波功能。引入谐振枝节，在低频时，枝节过长不利于天线小型化；添加寄生单元导致天线辐射面积增大，且添加的寄生单元较多时，寄生单元之间产生耦合，影响天线工作性能，因此不易多引入寄生单元结构；在天线上刻蚀缝隙，不仅易实现陷波功能，且天线辐射面积不变，对天线匹配效果影响较小，因此，目前研究设计陷波时，多采用刻蚀缝隙的方式。文献[11]通过在天线辐射贴片上刻蚀弧形槽和在微带馈线上刻蚀U型槽，实现天线的双陷波特性。文献[12]设计了一款双陷波超宽带天线，通过在贴片上刻蚀H形圆弧缝隙和在地板上刻蚀L形缝隙，实现双陷波特性。

本文设计了一款具有可重构特性的四陷波UWB天线。在地板上添加开口寄生单元实现4.5～5.7 GHz的陷波，在微带馈线上刻蚀U形缝隙实现了6.75～7.6 GHz的陷波，在辐射贴片表面刻蚀两个大小不等的U形缝隙分别实现了7.9～9.4 GHz和10.3～11.2 GHz的陷波功能。使用高等电磁仿真软件HFSS 15.0 对天线进行了仿真优化，且对加工的天线实物进行了测试，结果表明，该天线在3～11.74 GHz频段内，可有效避免多窄带信号的干扰，具有很好的实用价值。

1 天线结构设计

天线正反面几何结构如图1所示，主要由辐射贴片、螺旋寄生单元和改进型地板组成。改进型地板在起地板作用的同时，不仅拓宽了天线的工作带宽，且对后面在地板上加载枝节产生陷波有帮助。通过在地板中加入窄带寄生单元以及在辐射贴片和微带馈线刻蚀缝隙，设计出完整的四陷波天线。对于刻蚀的几何缝隙和添加的谐振枝节尺寸进行计算[13]：

(1)

(2)

图1 天线结构示意图

式中：c为自由空间中的光速；L为刻蚀缝隙的长度或添加枝节的长度；fx为陷波处的中心频率；εe为介质基板的等效介电常数；εr为介质基板的相对介电常数。通过仿真软件对尺寸进行优化，选择最佳的尺寸参数。

天线和微带馈线印制在厚度为0.8 mm，介电常数为4.4的FR4介质基板上，总体尺寸为24 mm×16 mm，天线主要参数如表1所示。

表1 天线结构的主要参数 (单位:mm)

参数数值参数数值参数数值W16.0L23.0g1.5L24.0L32.5t12.0W11.5L45.8t21.5W26.0L58.5t30.5W34.3s0.2t43.2W41.0s11.0n112.0W515.0e5.6n25.0L18.0e16.0r1.4

2 陷波原理与分析

2.1 陷波产生的原理

天线中实现陷波特性方式有：在辐射单元或馈电中刻蚀缝隙、在天线表面引入窄带谐振结构和在地板上引入谐振结构。

在天线中引入谐振结构，调整谐振结构与天线辐射贴片的距离，从而使两者产生耦合。利用耦合谐振单元法来改变辐射片上的表面电流流向，从而达到频带抑制的作用。由于添加的窄带谐振单元通常是陷波中心频率对应波长的1/2，故也可说是串联了半波长的谐振器。刻蚀几何槽的原理与添加谐振枝节实现陷波功能相似，通过在辐射贴片适当位置刻蚀几何槽线，使几何槽线两边电流的方向相反，从而实现频带抑制；而被抑制的频带带宽及中心频率值由槽孔的尺寸决定，改变槽孔的长度和宽度可改变被抑制频带的带宽和中心频率值。长度等效为其谐振频率的半波长，通过调节长度可获得特定频率的陷波，实现带阻效果。由式(1)、(2)可得，陷波中心频率与缝隙或谐振枝节的尺寸成反比。下面通过调节缝隙和谐振枝节尺寸验证陷波中心频率与尺寸的关系。

2.2 陷波特性分析

为了更深刻了解刻蚀缝隙和寄生单元尺寸对天线陷波频率的影响，选取部分尺寸进行仿真分析。由于4.5～5.7 GHz和6.75～7.6 GHz频段处的陷波是分别由添加寄生单元和刻蚀缝隙产生的，因此，对n1和L4进行仿真分析，结果如图2、3所示。

图2 n1不同长度对陷波频率的影响

图3 L4对陷波频率的影响

由图2可见，寄生单元使天线在4.5～5.7 GHz波段产生陷波，且陷波中心频率随着n1的增大而降低。当n1=11.8 mm时，陷波中心频率在5.6 GHz左右；当n1增大到12.2 mm时，陷波中心频率降低到5.4 GHz左右。由图3可见，刻蚀的U形缝隙使天线在6.75～7.6 GHz波段产生陷波，且陷波中心频率随着L4的增大而降低。当L4=5.7 mm时，陷波中心频率在7.5 GHz左右；当L4增大到6.1 mm时，陷波中心频率降低到7.1 GHz左右。由此可见，陷波中心频率随着缝隙和谐振枝节的尺寸变化而变化。当尺寸增大时，陷波中心频率降低；当尺寸减小时，陷波中心频率升高。陷波中心频率与缝隙和谐振枝节尺寸成反比关系，满足式(1)的物理关系。

3 仿真结果和分析

3.1 天线仿真分析

利用电磁仿真软件HFSS15.0对天线仿真分析，仿真结果如图4、5所示。由图4、5可见，在4.5～5.7 GHz、6.75～7.6 GHz、7.9～9.4 GHz和10.3～11.2 GHz频带内电压驻波比>2，回波损耗S11>-10 dB，天线实现了四陷波特性。天线的相对带宽达到118%。图6为天线分别在3 GHz、5 GHz、9 GHz的增益方向图。方向图在低频时呈“8”字形状，增益良好；高频时，由于天线和微带馈线之间不完全匹配，以至天线的增益方向图发生变化。该天线在其通带内辐射基本良好，具有较好的全向性。图7为天线增益随频率变化曲线图。

图4 天线回波损耗仿真曲线

图5 天线驻波比仿真曲线

图6 天线在3 GHz、5 GHz和9 GHz的增益方向图

图7 天线增益曲线图

3.2 螺旋寄生结构对陷波影响分析

在最初设计的天线结构中，通过仿真发现,在10.3～11.2 GHz频带内陷波特性较差，陷波深度较浅。为解决上述问题，文中在辐射贴片上方引入一种螺旋寄生结构。当天线工作在10.3～11.2 GHz频带内，螺旋寄生结构表面产生与主辐射贴片相反的电流，使10.3～11.2 GHz频带内陷波深度上升了约50%，如图8所示，基本不影响天线其他性能。

图8 加螺旋寄生结构前、后对陷波影响

3.3 陷波可重构特性研究

陷波可重构特性是指在陷波适当位置添加射频开关，使天线陷波可在有/无或不同陷波个数之间变化的状态。本文采用PIN二极管开关元件，由于HFSS软件中没有该元件，因此，本文用金属铜片代替PIN二极管开关。有铜片相当于开关断开，反之相当于开关闭合。图9是在天线微带馈线中U形缝隙底部引入PIN开关前、后的电压驻波比。由图可知，加PIN开关后，6.75～7.6 GHz频段内陷波消失，实现了四陷波到三陷波的转换。

图9 加入PIN开关前、后的电压驻波比

4 实物测试结果

本文对所设计天线进行了实物加工和测试。天线实物如图10所示。

图10 天线实物图

使用Agilent E5071C矢量网络分析仪为两款天线的驻波比进行实际测量，结果如图11、12所示。实物测试与仿真结果存在一定误差，这可能由天线加工和微波高频连接器(SMA)接口焊接处造成的。总之，实测与仿真结果基本吻合。

图11 未加PIN开关天线电压驻波比对比图

图12 添加PIN开关天线电压驻波比对比图

5 结束语

本文设计了一种具有四陷波及可重构特性的超宽带天线，通过在天线辐射贴片、微带馈线上刻蚀U形槽，以及在改进型地板上添加环形开口寄生单元实现天线四陷波特性。添加PIN二极管开关元件，实现了天线从四陷波到三陷波的可重构特性。对天线进行实物加工及测量，结果表明，天线在3～11.74 GHz满足超宽带频段要求，且具有良好的增益方向图，该天线具有良好应用前景和使用价值。