多频带陷波可重构的超宽带单极天线

2020-11-11陈江瑜宋艳丽刘德兵

通信电源技术 2020年14期

陈江瑜，龚雪，宋艳丽，刘德兵

（成都航空职业技术学院工程实训中心，四川成都 610100）

0 引言

随着无线通信系统的快速发展，超宽带（UWB，3.1～10.6 GHz）技术已成为未来高数据速率无线通信、高精度雷达和成像系统最有前途的技术之一[1]。作为UWB系统的重要组成部分，UWB天线引起了研究人员的广泛关注。它表现出理想的特性，如紧凑的尺寸、低成本和良好的全向辐射图，但存在一个可能的电磁干扰问题，因为在分配给UWB系统的带宽上存在一些用于其他通信系统的窄带，如工作在5.15～5.825 GHz的WLAN，频段卫星通信系统在7.25～7.75 GHz的下行链路。连接到UWB天线的两个带阻滤波器可用于抑制这些频带，但是加载滤波器增加了系统的复杂性。解决此问题的一种简单方法是设计具有带陷波特性的UWB天线。据报道，具有带陷波功能的UWB天线大多数在5.15～5.825 GHz的WLAN中具有一个带陷波的频段[2-4]。最近出现了几种具有双陷波频段[5-7]的天线，已经证明可以通过在辐射贴片[5]中切割的椭圆形槽内蚀刻一对T形短截线或使用U形槽[3,6-7]弧形槽来获得天线辐射的带阻特性。

然而，以上文献的带阻频带是固定不变的，不能够随着特定需求频带的改变随之变化。为了能够灵活利用超宽带频带的带阻特性，设计一种具有可重构的带阻特性的超宽带单极子天线得到了广泛关注和应用。文献[8]通过加载光敏开关来控制弯折缝隙的长度，从而改变带阻频带的变化。文献[9-10]在微带馈线上刻蚀缝隙并加载PIN二极管，天线可以在一个和两个带阻频带内进行切换。文献[11]则在一对开环谐振器加载二极管实现了带阻特性的连续可调。

1 天线设计原理与基本结构

本文设计的多频带陷波的超宽带单极天线结构如图1所示。图1（a）是天线的正面结构图，图1（b）是天线的背面结构图。正面结构包括底部切角的开槽矩形贴片和一段50 Ω微带传输，背面结构是中间开槽的金属地。天线的整体尺寸为14.7 mm×18 mm（0.14λg×0.17λg），印制在介质基板 FR4，其介电常数为4.4，介质损耗角正切为0.02，厚度为1 mm。在考虑天线整体的带宽、陷波带的带宽以及带阻特性等方面的前提下，在正面矩形贴片刻蚀一个U形缝隙和半圆缝隙。在缝隙的设计中，本文采用波导波长，其中λ0是自由空间中的波长，εeff=(εr+1)/2。

图1 多频带陷波的超宽带单极子天线结构图

本文设计的天线采用商业软件Ansoft HFSS进行仿真，并且对最终设计进行优化。天线结构图中各个参数对应的具体数值如表1所示。图2是仿真的多频带陷波的超宽带单极子天线的仿真结果图，天线能分别实现5.1～5.9 GHz和7.2～8 GHz的阻带特性，天线反射系数S11小于-10 dB的带宽范围是2.4～5.1 GHz、5.9～7.2 GHz和8～13 GHz。

表1 天线各个参数尺寸对照表

图2 多频带陷波的超宽带单极子天线仿真结果图

为了进一步了解天线陷波的工作原理，出了天线在陷波频率处的表面电流分布。第一个陷波5.7 GHz频率处的电流主要集中在下方的方形缝隙，电流路径长度 2×（w2+l2）-w3约为λ1/2（λ1为 5.4 GHz对应的导波波长），天线在5.1～5.9 GHz产生一个阻带；电流主要集中在上方的半圆缝隙中，电流路径长度为πr约为λ2/2（λ2为7.2～8 GHz对应的导波波长），天线在7.2～8 GHz产生另一个阻带。

2 可重构天线设计

为了能够使该天线能够产生可重构阻带辐射特性，选用BAR50-02V作为射频开关，并且在合适位置加载PIN二极管，通过调节二极管状态（D1，D2）实现陷波可重构。为了给PIN二极管提供电压，设计直流偏置电路，可以有效防止射频信号和直流信号之间的相互干扰。在偏置电路中引入12 pF的隔直电容（C1、C2）和51 nH的隔离电感（L1），如图3所示。综上所述，通过对这两个二极管的通断进行切换，使天线具有单频带和多频带陷波切换的功能。天线工作模式，如表2所示。

图3 可重构多频带陷波的超宽带单极子天线

表2 天线工作模式

二极管BAR50-02V导通时相当于3 Ω的电阻，断开时，二极管等效为由0.15 pF电容和5 kΩ电阻组成的并联电路。图4为天线各个模式仿真的反射系数曲线。可以看出，当二极管D1、D2导通即模式1时，天线工作在超宽带；当二极管D1、D2闭合即模式2时，天线陷波频带为5.1～5.9 GHz和7.2～8 GHz；当二极管D1导通、D2闭合即模式3时，陷波频带为5.1～5.9 GHz；当二极管D2导通、D1闭合即模式4时，天线陷波频率为7.2～8 GHz，其他频带的反射系数较好。

图4 可重构多频带陷波天线加载二极管仿真结果

如图5（a）所示，在通带频率下，两个U型缝隙stub 1和stub 2都不会对生成陷波带产生任何影响。在第一个陷波频段，当Ls1=λ1/2时，U型缝隙stub 1等效为终端为短路状态的二分之一波长传输线。因此，U型缝隙stub 1表现为具有无限大的输入阻抗开路串联短路线，从而导致馈线和辐射贴片之间的阻抗不匹配，结果如图5（b）所示，该频带中的反射系数变大且产生了第一个陷波频带。类似地，在第二个带阻频带处，如图5（c）所示，当Ls2=λ2/2时，stub 2和stub 1的工作方式类似。图6是天线的实物加工图，其中图6（a）是天线正面结构图，图6（b）是天线背面结构图。

图7表示该可重构带阻天线的测量和仿真结果图。采用N5230矢量网络分析仪测量天线各个模式（二极管D1、D2导通，D1导通、D2闭合，D1闭合、D2导通，D1、D2闭合）4种状态下的驻波比。测量发现，该天线的两个带阻带宽5.2～6 GHz和7.3～8.1 GHz可以随着二极管的导通和关闭灵活切换。通过仿真和测量结果发现，测量结果与仿真结果有向上的偏移，可能是由于SMA接头或者加工误差带来的影响。图8是测量的可重构带阻天线在二极管D1、D2闭合时的天线方向图，分别画出了天线在4 GHz、6.5 GHz和9 GHz的天线方向图。

图5 天线传输线模型（带有源阻抗和天线阻抗）

图6 天线加工实物图

3 结论

本文设计了一款具有双阻带可重构的超宽带天线，通过在CPW被面加载两对开口谐振环SRR，使得天线在5.2～6 GHz和7.3～8.1 GHz双个频段内实现了带阻可调特性，能够有效抑制无线通信系统中WLAN（5.15～5.825 GHz）和X频段卫星下行通信（7.25～7.75 GHz）的干扰。通过加工测量天线的反射系数发现，该天线的仿真结果和测量结果较为吻合，且天线的辐射特性较好，能够应用在未来的无线通信设备中。