基于交叉缝隙的陷波可重构超宽带天线

王欣宇，张文梅

(山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006)

0 引 言

随着无线电通信的迅速发展，超宽带天线得到了广泛的关注.文献[1]采用锥形缝隙改善天线的阻抗带宽，从而实现超宽带.文献[2]通过加载L型寄生贴片产生新的谐振点来拓展带宽，实现超宽带.但是，由于频谱资源日益匮乏，为了提高频谱的利用率，可重构天线飞速发展，其中，频率可重构天线因其尺寸小，易于集成，工作频率易调谐等优势在可重构天线设计中占有重要地位.

常见的实现频率可重构的方法有3种.第1种是通过控制PIN二极管的通断或者改变可变电容的电容值实现频率可重构.文献[3]提出一种缝隙天线馈电的频率可重构天线，通过控制设置在接地面缝隙中的5个PIN二级管的通断，天线在1.98 GHz～3.59 GHz之间实现了9个不同频段的可重构；文献[4]中天线通过控制PIN二极管的通断状态，从而改变微带贴片的表面电流路径，使得天线在5.1 GHz～5.9 GHz频带范围内实现7种工作模式；文献[5]提出一种领结形频率可重构天线，通过在领结臂上对称地加载变容二极管，改变变容二极管的电容值，从而改变天线的有效电流路径，使得天线实现3.21 GHz～5.24 GHz 的频率变化；文献[6]中可重构MIMO天线通过在环形缝隙中加载变容二极管实现频率可重构.

第2种是通过采用具有特殊性能的材料实现频率可重构.文献[7]通过改变一种油性液体材料的厚度实现天线在1.4 GHz～1.9 GHz频段范围内的可重构特性；文献[8]通过在矩形微带贴片天线下方添加一种液晶材料，利用液晶材料各向异性的特点，通过加载不同幅值的偏置电压，使得天线实现2.2 GHz～2.6 GHz的频率可重构特性.

第3种是通过改变天线结构实现频率可重构.文献[9]提出了一种将超宽带天线和频率可重构天线集成在同一介质基板的新型可重构天线，通过180°旋转天线贴片，产生不同的谐振频率，从而实现可重构；文献[10]利用步进电机旋转装有5个不同贴片天线的圆盘，在每个旋转阶段，微带线激励不同的贴片从而获得不同的频率，实现可重构.

本文设计了一种基于交叉缝隙的陷波可重构超宽带天线.利用带有寄生贴片的超表面，有效拓展了天线的工作带宽，并通过控制接地面上两个交叉缝隙中8个PIN二极管的通断，实现5种工作模式.结果表明，天线实现了1种超宽带模式、3种单陷波模式和1种双陷波模式.

1 天线设计

本文设计了一款陷波可重构超宽带天线，具体的设计过程是：首先，设计超宽带天线，然后，在超宽带天线的接地面上刻蚀交叉缝隙，并在缝隙中加载二极管，通过控制二极管的通断实现天线的陷波可重构.超宽带天线的工作范围为3.5 GHz～8 GHz，为了抑制了来自WiMAX和WLAN系统的干扰，陷波频率设计在3.9 GHz, 4.9 GHz和5.6 GHz.

1.1 超宽带天线设计

所设计的超宽带天线结构如图1 所示.天线采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.001的FR4-epoxy介质基板，贴片和接地板分布刻蚀在介质基板的上下表面.贴片包括3×3个单元组成的圆形超表面和宽度渐变的矩形微带线，以及圆形超表面的上侧、下侧和左侧增加的半椭圆形寄生贴片.在介质基板下方刻蚀一个矩形接地面为微带线馈电.该天线通过用超表面代替普通矩形贴片，并进一步优化超表面拓展了带宽，其结构参数如表1 所示，相应的分析结果如图2，图3 所示.

(a)侧视图

表1 超宽带天线结构参数表

图2 给出了加载传统矩形贴片和圆形超表面贴片对应天线的S11.仿真结果表明，加载传统矩形贴片时，天线在6.5 GHz处的阻抗匹配性能较差；加载圆形超表面时，天线的阻抗带宽为3.5 GHz～8 GHz，带宽得到拓展，阻抗匹配较好，覆盖了L波段、S波段以及C波段.

图2 传统矩形贴片天线与圆形超表面贴片天线的S11对比

图3 给出了超表面半径r对天线S11的影响.从图3 中可以得到，当半径r=1 mm时，天线的-10 dB 阻抗带宽为 5 GHz～7.5 GHz(2.5 GHz)，谐振频率为5.78 GHz；随着r增加到 2 mm时，带宽变化不明显；继续增加r的大小，即r=3 mm时，在3.9 GHz处产生一个新的谐振点，天线的-10 dB阻抗带宽为3.5 GHz～8 GHz(4.5 GHz)，带宽加宽2 GHz，达到设计要求；当r=4 mm时，天线在5 GHz处的S11大于-10 dB.因此，最终选择超表面半径r=3 mm.

图3 参数r变化对天线S11的影响

1.2 陷波可重构天线设计

为了有效抑制WiMAX和WLAN系统对超宽带天线的干扰，需要超宽带天线在工作范围内产生陷波.因此，在超宽带天线的接地面上增加两组交叉缝隙，此时接地面结构如图4 所示.为了实现天线的陷波可重构特性，在交叉缝隙内设置了8个尺寸为1 mm×1 mm的PIN二极管(D1～D8).在交叉缝隙的外围设计了方环缝隙，当对中心方形贴片施加负电压，梯形贴片施加正电压时，PIN二极管导通.陷波可重构天线的结构参数如表2 所示，相应的分析结果如图5 和表3 所示.图5 给出了有无交叉缝隙对应天线的S11.未加载缝隙时，天线覆盖3.5 GHz～8 GHz的频率范围；加载缝隙后，天线在5.6 GHz处产生陷波.

图4 陷波可重构天线背面图

图5 天线有无交叉缝隙的S11对比

表2 可重构天线结构参数表

通过控制8个PIN二极管的通断状态，使天线可以工作在超宽带、3个单频带陷波和一个双频带陷波模式下，表3 给出了天线5种工作模式对应的开关状态.当二极管D2, D3, D4, D5导通时，天线工作在超宽带(模式1)状态，带宽为3.5 GHz～8 GHz；当D1, D3, D5, D7导通时，天线在超宽带工作带宽内获得3.9 GHz陷波(模式2)；当D2, D7断开，其余都导通时，天线获得4.9 GHz陷波(模式3)；当所有的二极管都处于断开状态时，天线获得5.6 GHz陷波(模式4)；当D3, D5, D6, D8导通时，天线在超宽带工作带宽内获得4.9 GHz和5.6 GHz双陷波(模式5).

表3 天线的5种工作模式

为了分析天线陷波可重构的形成原理，图6 给出了天线在不同模式下接地面的电流分布.当天线工作在模式1时，电流主要集中在接地面的中心以及上边缘，使得天线产生有效辐射；当天线工作在模式2，3，4时，可以看到原本在模式1状态下集中在接地面中心的电流，分散出一部分集中在交叉缝隙以及导通的PIN二极管的附近，电流路径发生改变，且有效电流路径的长度约为λ/4(λ为陷波频率对应的导波波长)，能量辐射遭到削弱，因此天线在相应的PIN二极管导通时，会在3.9 GHz，4.9 GHz，5.6 GHz处产生陷波.

(a)模式1

2 参数分析

本节讨论了交叉缝隙的间隔c以及方环缝隙的宽度y对天线陷波可重构特性的影响，结果如图7，图8 所示.为了获得准确的结果，在分析每个参数的影响时，其他参数均保持不变.

图7 缝隙间隔c对天线的影响

图8 方环缝隙宽度y对天线的影响

图7 对比了模式2下，不同的缝隙间隔c对天线陷波性能的影响，此时，PIN二极管D1，D3，D5，D7处于导通状态，其他均处于关闭状态.从图7 中可以得到，当c=5 mm时，天线在5.7 GHz 和7.9 GHz处产生陷波；当c=7 mm时，天线在3.9 GHz处产生陷波，达到预期目标；当c=9 mm时，天线在4.1 GHz处产生陷波，陷波频率发生右移.

图8 对比了模式4下，方环缝隙宽度y对天线陷波性能的影响，此时，所有PIN二极管处于关闭状态.可以看出，当方环缝隙的宽度y从0.5 mm增加到1.5 mm时，天线所产生的陷波频率从 4.9 GHz 右移到了5.2 GHz.最终选取方环缝隙宽度y为1 mm.

3 仿真结果与讨论

将本文所提出的基于交叉缝隙的陷波可重构超宽带天线制作加工，其实物照片如图9 所示.用Agilent N5230A矢量网络分析仪对加工的天线进行了测试，结果如图10，图11 所示.

图9 天线实物照片

图10 给出了测试以及仿真的天线S11曲线.从图10 中可以看出，天线工作在模式1时带宽覆盖3.5 GHz～8 GHz，在此频段内，S11均低于-10 dB；模式2，3，4时分别在3.8 GHz～4.1 GHz, 4.7 GHz～5.2 GHz, 5.3 GHz～5.85 GHz 频段内产生陷波；模式5时在 4.7 GHz～5.2 GHz和5.6 GHz～5.8 GHz频段处产生双陷波，天线在陷波频带外仍保持良好的阻抗匹配.测试结果与仿真结果基本一致，但是由于PIN二极管施加恒定电压时对接地面的表面电流分布产生的影响，以及天线制作时的误差，双陷波模式在5.6 GHz处的陷波不够明显.

(a)仿真结果

图11 给出了天线工作在5种模式下 3.8 GHz 处的辐射方向图.从图11 中可以看出，所有模式H面(yz面)的方向图比较稳定，近似为圆形，说明天线具有全方向辐射特性.天线在E面(xz面)的方向图基本呈类8字形，最大辐射方向基本都在θ=15°方向，只是在模式3时，270°方向上的辐射略有增加，但对天线的陷波可重构特性影响较小.

(a)模式1

为了进一步证明所提出陷波可重构超宽带天线的优势，表4 给出了与其他相关天线[3-6]性能的比较.文献[3-6]通过采用偏置电路控制PIN二极管或变容二极管的通断实现频率可重构，但由于偏置电路中包含多个电容电感元件，所以结构复杂，尺寸较大，成本较高.本文所提出的可重构天线具有相对较小的尺寸，只需要对不同的贴片施加正负电压即可控制PIN二极管，相较于使用偏置电路更为简单便捷.

表4 所设计天线与其他参考天线比较

4 结 论

本文设计了一种应用于认知无线电领域的基于交叉缝隙的陷波可重构超宽带天线.天线采用带有寄生贴片的超表面作为辐射贴片，有效扩展了工作带宽.通过控制接地面缝隙中8个PIN二极管的通断，可以使天线工作在超宽带、3个单频带陷波和一个双频带陷波5种模式下，从而实现了天线的陷波可重构特性.所设计的天线具有尺寸小，工作模式丰富，控制方式简单等优点，在认知无线电领域具有可观的应用前景.