加载高阻抗表面结构的超宽带陷波天线设计

张 杰，刘宇峰，赵明霞

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

近些年来，超宽带天线以其制作简单、重量轻、成本低等优点在无线通信中得到了广泛的应用[1]. 联邦通讯委员会为超宽带天线系统分配的频率范围是3.1 GHz～10.6 GHz[2]，而超宽带天线作为一种特殊的天线，带宽比较宽，所以可能有特定频率范围内的信号对天线造成干扰[3]，故而需要在超宽带系统的频率范围内形成特定频率范围的陷波频段[4,5]. 例如，在微波接入WiMAX频段和无线局域网WLAN频带内形成陷波，以阻止这两个频段内的信号对系统进行干扰. 为了解决上述问题，研究者引入了一种新型的结构，即高阻抗表面结构(High impedance surface, HIS)[6,7].

高阻抗表面结构是一种表面波在特定频率范围内无法传播的结构，其中的特定频率范围叫做高阻抗表面的带隙频率范围，在带隙频率范围内可以有效地避免表面波对微波天线系统造成的不良影响. 常见的高阻抗表面结构有波纹表面结构、凹凸表面结构、蘑菇型表面结构、可调谐式阻抗表面结构等. 可以用来消除或减弱平面电路中的表面波，而减少互耦、改善天线性能，实现谐振器或波导，实现滤波器、移相器功能等，故而本文考虑在一种传统的天线中引入高阻抗表面结构，以实现天线紧凑性，并使得天线在特定的频率范围内形成陷波[8,9].

本文在单极子贴片天线的微带馈线两侧添加开阿基米德螺旋结构缝隙[10]的蘑菇型高阻抗表面单元[11]，使得天线在WiMAX频段形成陷波，单元尺寸相对传统的高阻抗表面结构缩小了55.2%，增加了结构的紧凑性；再将馈线左侧的高阻抗表面结构尺寸缩小为右侧结构的69%，成功地实现了天线在WLAN频段和WiMAX频段形成双陷波.

1 基于开槽高阻抗表面的圆形单极子贴片天线设计

图1 所示为高阻抗表面单元结构，深色部分为上层金属贴片及下层接地板，浅色部分为介质，无色部分为过孔.

图1 高阻抗表面单元结构Fig.1 The structure of HIS unit cell

图2 为高阻抗表面结构的等效电路图.L由流过中间过孔的电流产生，C由相邻贴片的间隙效应引起. 在等效模式下，高阻抗表面的阻抗理解为电容电感并联谐振(LC并联谐振)阻抗. 高阻抗表面的阻抗特性为： 在低于谐振频率处，高阻抗表面的表面阻抗为正，阻抗值是感性；在高于谐振频率处，高阻抗表面的表面阻抗值为负，阻抗值是容性. 故在低于谐振频率时，高阻抗表面支持TM模式下的表面波，在高于谐振频率时，支持TE模式下的表面波. 在实际中，高阻抗表面单元结构的谐振频率附近范围存在着带隙频段，在此带隙频段内，它不支持TM模式及TE模式下表面波的传播，所有的表面波都被抑制.

图2 高阻抗表面结构的等效电路图Fig.2 Equivalent circuit of HIS structure

为达到设计要求，本节在高阻抗表面单元上蚀刻阿基米德螺旋结构缝隙. 图3 为加载开槽高阻抗表面的圆形单极子贴片天线的结构图，图中深色区域为圆形金属贴片和微带馈线，以及下层的矩形金属地. 浅色区域为介质基板，厚度为2 mm. 阿基米德螺旋线距离高阻抗表面中间过孔圆心的距离为0.65 mm，相邻螺旋线之间的距离为0.13 mm，线宽为0.3 mm，需要旋转的角度为570°. 优化之后的其他各结构参数如表1 所示. 天线采用SMA同轴馈电，天线的结构尺寸为45 mm×50 mm.

图3 加载开槽高阻抗表面的圆形单极子天线结构图Fig.3 Configuration of a circular monopole antennawith slotted HIS

表1 加载开槽高阻抗表面的圆形单极子贴片天线结构参数值Tab.1 Geometrical parameter values of circular monopolepatch antenna with slotted HIS.

等效电路图如图4 所示，高阻抗表面结构和微带馈线之间的间隙用电容C0表示，高阻抗表面结构与地之间电容用C1表示，高阻抗表面中间过孔的电感用L1表示，开槽后在高阻抗表面单元上形成的电感用L2表示. 相当于高阻抗表面结构产生一个排斥带，等效为一个串联谐振与天线并联. 天线的谐振频率可以写成如下公式

图4 加载开槽高阻抗表面的圆形单极子天线等效电路图Fig.4 Equivalent circuit of circular monopoleantenna with slotted HIS

图5 为加载开槽高阻抗表面结构的圆形单极子贴片天线在3.5 GHz和5.5 GHz处电流分布图. 可以看出电流在3.5 GHz处主要集中在高阻抗表面结构中，圆形辐射贴片上集中的电流很少，所以高阻抗表面单元在3.5 GHz处形成了一个陷波. 而在5.5 GHz处，电流主要分布在微带馈线和圆形辐射贴片上，所以天线在此频率下有很好的辐射性能，没有产生陷波.

图5 加载开槽高阻抗表面的圆形单极子天线电流分布图Fig.5 Surface current distribution of circular monopoleantenna with slotted HIS

图6 为开槽高阻抗表面的圆形单极子天线实物图. 图7为开槽高阻抗表面的圆形单极子天线的驻波比仿真和测量图. 结果显示开槽高阻抗表面的圆形单极子天线在3.1 GHz～3.94 GHz频率范围内，说明对高阻抗表面进行阿基米德螺旋线开槽后，天线会在此频率范围内具有较强的幅值缺口，从而天线会在WiMAX频段内形成陷波. 高阻抗表面单元的尺寸为5.2 mm，与未开槽高阻抗表面单元的尺寸相比缩小了55.2%，说明给高阻抗表面结构开槽，即使用电感增强的高阻抗表面结构后，需要的高阻抗表面单元尺寸大大地缩小，实现了高阻抗表面单元的紧凑性的要求.

图6 加载开槽高阻抗表面单元的圆形单极子贴片天线实物图Fig.6 Fabricated prototype of circular monopole patchantenna with slotted HIS unit cell

图7 加载开槽高阻抗表面的圆形单极子天线的驻波比仿真与测量图Fig.7 Measured and simulated VSWR of circular monopoleantenna with slotted HIS

图8 和图9 分别为d1和r1的值对陷波频带的影响. 结果显示，d1的值在0.1 mm～0.4 mm范围内，随着d1的增大，频带的宽度逐渐减小，驻波比的峰值也逐渐减小，频带向高频移动；r1的值在0.2 mm～0.8 mm范围内，随着r1的增大，频带的宽度基本不变，驻波比的峰值的变化比较小，频带会向高频移动，而且在r1=0.8 mm时，天线的陷波效果发生恶化，陷波频带也不在WiMAX频段范围内.

图8 加载开槽高阻抗表面的圆形单极子天线在不同d1值的驻波比随频率变化曲线Fig.8 VSWR versus frequency of circular monopole antennawith slotted HIS at different d1

图9 加载开槽高阻抗表面的圆形单极子天线在不同r1值的驻波比随频率变化曲线Fig.9 VSWR versus frequency of circular monopole antennawith slotted HIS at different r1

2 基于不对称新型高阻抗表面的圆形单极子贴片天线设计

本节是在上一节的基础上对开槽高阻抗表面进一步地改进. 通过在微带馈线两边加载尺寸不同的开槽高阻抗表面，使天线可以在WLAN频段和WiMAX频段形成双陷波. 改进型开槽高阻抗表面的圆形单极子天线的结构如图10 所示. 与上一节结构比较，改变之处是将左边开槽高阻抗表面进行整体结构的缩小，缩小倍数k经优化后定为0.69，天线的结构尺寸为45 mm×50 mm.

图10 加载不对称开槽高阻抗表面的圆形单极子天线结构图Fig.10 Structure of circular monopole antenna withasymmetric slotted HIS

图11 为加载不对称开槽高阻抗表面结构的圆形单极子贴片天线在3.5 GHz和5.5 GHz处电流分布图. 可以看出在3.5 GHz处电流集中在右边的高阻抗表面结构，圆形辐射贴片上几乎没有电流，说明右边高阻抗表面单元在3.5 GHz处形成了一个陷波. 同理，在5.5 GHz处的电流分布在左边的高阻抗表面，同样形成了一个陷波.

图11 加载不对称开槽高阻抗表面的圆形单极子天线电流分布图Fig.11 Surface current distribution of circular monopole antennawith asymmetric slotted HIS

如图12 为不对称开槽高阻抗表面的圆形单极子天线实物图. 图13 为不对称开槽高阻抗表面的圆形单极子天线的驻波比仿真和测量图. 结果显示，不对称开槽高阻抗表面单元的圆形单极子贴片天线在3.3 GHz～3.8 GHz频率范围和5.15 GHz～5.8 GHz频率范围内，说明不对称开槽高阻抗表面的圆形单极子天线会在WiMAX频段内和WLAN频段内都形成陷波.

图12 加载不对称开槽高阻抗表面的圆形单极子天线实物图Fig.12 Fabricated prototype of circular monopole patch antennawith asymmetric slotted HIS

图13 加载不对称开槽高阻抗表面的圆形单极子天线的驻波比仿真与测量图Fig.13 Measured and simulated VSWR of circular monopoleantenna with asymmetric slotted HIS

3 结 语

本文第一部分通过在单极子贴片天线的微带馈线两侧添加蚀刻阿基米德螺旋结构缝隙的高阻抗表面单元，实现了天线在WiMAX频段形成陷波，与未开槽的高阻抗表面结构相比，尺寸缩小了55.2%，大大提升了结构的紧凑性. 第二部分又对馈线左边的高阻抗表面结构进行整体缩小，尺寸相对右侧结构缩小了31%，并且实现了天线在WLAN频段和WiMAX频段形成双陷波. 仿真与测试结果取得了良好的一致性. 这些研究证明了高阻抗表面结构在设计陷波天线上的可行性，为超宽带陷波天线的设计提供了一种行之有效的方法，具有实际意义.