頻率可重構超寬帶天線研究

田雨波 譚冠南

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇 鎮江212003）

引 言

隨著科學技術的發展，無線傳輸技術在人們的生產生活中發揮著越來越重要的作用。為了滿足寬帶化的需要，對超寬帶天線的研究具有重要的意義［1］。從目前的研究來看，常見的平面結構的超寬帶天線主要包括平板單極子天線［2］、印刷單極子天線［3－4］和印刷寬 縫 天 線［5］等 形 式。 印 刷 單 極 子 天 線由平板單極子天線演變而成，并且由于其易于與電路集成等優點，獲得了快速發展。然而由于天線的最低工作頻率與天線的尺寸相關，目前擴展低頻段主要的方法是增大天線物理尺寸。

為了實現現代通信系統向著大容量、多功能、超寬帶的方向發展，可重構天線的概念被提出并得到了廣泛的研究與發展。可重構天線的概念是在1983年由Schaubert等在其專利中首次被提出［6］，1999年美國國防部高級研究計劃署組織了12家著名的大學、研究所和公司，制定實施了名為“可重構孔徑”的研究計劃［7］。近年來，由于通信系統的飛速發展，可重構天線的發展成為天線研究領域的一個熱點，不斷有新的設計方法與天線模型出現［8］。

基于以上研究，將可重構天線技術應用到超寬帶天線的設計中，在不改變天線尺寸的情況下擴展天線的工作頻率。以文獻［4］所給出的印刷橢圓形單極子天線為原型，運用可重構天線技術擴展低頻段，使天線的相對尺寸明顯的降低，并研究了天線的阻帶特性。設計了兩個可重構超寬帶天線，較重構前相比，低頻都有所擴展，天線Ⅰ工作在0.36～11.5GHz，天線Ⅱ工作在0.174～10.9GHz，并且具有可重構帶阻特性。

1.可重構超寬帶天線設計

用HFSS仿真軟件對文獻［4］的天線進行仿真，結果表明，天線覆蓋頻率為0.42～10.6GHz，與文獻中給出的仿真結果0.4～9.51GHz基本吻合，表明用HFSS軟件對天線仿真的正確性，差別主要是由于仿真軟件的不同引起的。所有仿真結果均是在HFSS環境下進行的。圖1顯示的是用HFSS仿真得出的印刷單極子橢圓天線在0.45GHz時貼片表面電流分布圖，可以看出，低頻段工作時，電流主要分布在饋線部分。由于天線的工作頻率與電流有效長度有關［9］：當電流有效長度變長時，天線的工作頻率下降；當電流有效長度變短時，天線的工作頻率升高。通過以上分析可以得出，延長饋線長度可以降低天線的低頻段工作頻率。在此基礎上，設計了兩個可重構天線：天線Ⅰ的設計驗證了本文所提出的頻率可重構方法的可行性；在天線Ⅰ的基礎上，設計了一個具有頻率可重構和帶阻可重構特性的超寬帶天線Ⅱ。

圖1 天線表面電流分布圖

1.1 天線Ⅰ的設計

1.1.1 天線Ⅰ的基本結構

天線Ⅰ的基本結構如圖2所示，主要結構尺寸參數如表1所示。天線采用共面波導結構，兩邊地之間的距離為W，介質基片的介電常數為3.48.饋線采用漸變結構，起到阻抗匹配的作用。饋線下端寬度為Wbot，對應50Ω的連接阻抗，饋線上面寬度為Wtop，對應100Ω的阻抗匹配。橢圓貼片的橫軸與縱軸長度分別為2a和2b.天線Ⅰ是在文獻［4］的基礎上，將中心饋線延長，延長的饋線寬度依然為Wtop.為了減小當饋線延長時兩邊的橢圓貼片的電磁耦合，在橢圓貼片延長饋線兩側開兩個矩形槽。在橢圓貼片底部加上一對微機電系統（MEMS）開關，開關尺寸為0.5mm×0.5mm.當開關斷開時，天線的饋線得以延長，最低工作頻率降低；當開關閉合時，天線實現超寬帶特性。

圖2 天線Ⅰ的基本結構

表1 天線I主要結構尺寸參數（單位：mm）

1.1.2 天線Ⅰ的工作方式以及仿真結果

當開關閉合時，天線實現超寬頻段工作；當開關斷開時，天線饋線變長，表面電流變長，頻率降低，實現低頻率的重構。天線的主要工作方式如表2所示（在HFSS仿真中，當開關閉合時，采用等大小的標準完美電導體（PEC）結構模擬連接；當開關斷開時，去掉PEC結構），開關斷開前后的回波損耗仿真如圖3所示。

表2 天線I的主要工作方式

圖3 天線Ⅰ回波損耗

由表2可以看出，開關閉合時，天線的最低工作頻率為450MHz，較重構前天線的420MHz有所升高，這是由于橢圓貼片對低頻也有所貢獻，矩形開槽處理影響了天線的低頻特性。開關斷開后，天線的最低工作頻率降低到360MHz，較重構前的420 MHz有所降低。天線的尺寸由開關斷開前的0.21λmax×0.165λmax減小到開關斷開后的0.17λmax×0.132λmax.由仿真結果可以看出：通過開關的重構，天線Ⅰ能很好地覆蓋0.36～11.5GHz的工作頻段。

1.2 天線Ⅱ的設計

1.2.1 天線Ⅱ的基本結構

圖4 天線Ⅱ的基本結構

天線Ⅱ的基本結構如圖4所示，主要結構參數如表3所示。天線Ⅱ是在天線Ⅰ的基礎上延長橢圓的縱軸長度，然后用上面提出的延長饋線的方法來降低天線的最低工作頻率。在饋線兩側的適當位置上放置MEMS開關，隨著開關的通斷，饋線不斷變長，電流長度不斷延長，使最低工作頻率不斷降低，進而實現超寬帶的頻率可重構。

表3 天線II的主要結構參數（單位：mm）

超寬帶天線因其帶寬很寬，發射功率相對較小，為避免和鄰近的局域網通信協議IEEE 802.11a相干擾，所以需要加入帶阻濾波。傳統的帶阻濾波裝置是在系統前端加入帶阻濾波器，但是這樣會增加系統復雜度與成本。最簡單直接的方法就是使超寬帶天線在相應的頻段內具有較大的反射系數、出現“陷波”（帶阻）特性而呈現收發“鈍態”［10］。目前常用的做法是在貼片上開槽［11］、載入寄生元［12］和采用分形枝節［13］等來實現帶阻功能，這些方法易于控制和系統集成。本文采用在饋線部分增加一個帶有開關的寬縫調諧枝節［14］，這樣沿調諧枝節會產生相應長度的電流，破壞了相應頻點上天線的輻射特性，從而產生阻帶。通過對調諧枝節的參數掃描仿真，設計 了 在 IEEE 802.11a 通 信 協 議 （5.15～5.825 GHz）的可重構阻帶。

天線Ⅱ一共具有4個開關，分別為開關A、開關B、開關C和開關D，開關A、B、C主要用來重構天線的低頻段，開關D主要用來重構天線在超寬帶工作時的阻帶。通過調節四個開關的通斷，實現頻率的可重構。

1.2.2 天線Ⅱ的工作方式以及仿真結果

控制A、B、C、D四個開關的通斷，重構天線的工作頻率。天線重構的主要思想是延長貼片表面的電流有效長度，進而降低天線的工作頻率。通過HFSS仿真表明，當開關A、D閉合時，天線的工作頻段與天線加入重構思想前基本一樣，最低工作頻率都為305MHz.天線的主要工作方式如表4所示（A：表示開關A閉合；A—：表示開關A斷開），回波損耗仿真如圖5所示。

表4 天線Ⅱ的主要工作方式

由仿真結果可以看出，天線Ⅱ通過MEMS開關重構，工作頻率從305MHz降低到174MHz，天線的尺寸從重構前的0.153λmax×0.23λmax減小到重構后的0.087λmax×0.116λmax，可以看出，重構后有效地減小了天線的相對尺寸。并且利用可重構天線的概念，實現了天線在174MHz～10.9GHz的工作頻段，帶寬比高達62.6：1，基本覆蓋了0～10GHz的工作帶寬。并且在超寬帶工作時，具有5.1～5.95GHz的可重構帶阻特性，可以實現對IEEE 8 02.11a通信協議的阻帶。可重構超寬帶天線在0.2GHz、1GHz、6.5GHz和10GHz的E／H 面方向圖和表面電流分布圖如圖6所示。通過對方向圖的分析可以看出，隨著工作頻率的升高，方向圖波紋增多，這是由于當頻率相對較高時，貼片表面出現的橫向電流和反向電流引起的。盡管如此，天線在整個頻段內仍然具有良好的全向輻射特性。通過天線表面電流分布圖可以明顯的看到，當天線工作在低頻，如0.2GHz的時候，表面電流主要分布在饋線及其延長部分；在高頻時，表面電流主要分布在饋線和橢圓形貼片的邊緣上。

2.結 論

本文成功的將可重構天線技術應用到超寬帶天線的設計中，通過延長饋線長度，降低天線的工作頻率，并結合可重構天線技術，在饋線的兩側適當位置加入開關，擴展了天線的工作帶寬。同時，為了避免與常用的局域網通信協議IEEE 802.11a相互干擾，所設計的天線能夠根據需要將其頻段阻斷。仿真結果表明：天線的相對尺寸有很明顯的減小，且在整個工作頻段內能很好的保持全向性。文中討論的可重構超寬帶天線易于加工和電路集成，具有實用價值，能廣泛應用于超寬帶系統中。

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