雙頻陷波可調的超寬帶天線

徐 瓊，范光程，胡延文，嚴仲明，王 豫

(西南交通大學 電氣工程學院,四川 成都 611756)

0 引言

由于較好的阻抗匹配、全向的輻射特性及易加工等特點，超寬帶天線備受關注。自2002年美國聯邦通信委員會(FCC)定義3.1～10.6 GHz頻段為民用通信以來[1]，超寬帶通信系統被廣泛研究。但由于窄帶通信系統占用了超寬帶部分頻段，對超寬帶通信系統產生極大的干擾，因此，提出了陷波技術，如在天線上刻蝕U型縫隙[2]、V型縫隙[3]、開口諧振環(SRR)縫隙[4]、電諧振器(ELC)縫隙[5]及利用缺陷接地結構(DGS)[6]等。而實際窄帶不一定與所設計的陷波頻帶相符，或實際不存在這些窄帶通信的干擾，這都導致不能充分利用超寬帶頻段。為了滿足多模無線通信和認知無線電應用的需求，有必要改變天線的工作模式。因此，需要在陷波超寬帶天線中引入可重構技術。通常利用射頻微機電系統(MEMS)開關[7]、PIN二極管[8]及可變電容等均可實現天線的可重構技術。

本文提出了一種雙頻陷波可調諧的超寬帶天線。在接地板上刻蝕“工”字型縫隙拓寬了天線帶寬，得到超寬帶天線；在輻射貼片上加載2個“C”型縫隙，使超寬帶天線擁有在全球微波互聯接入(Wimax)、X波段(X-band)頻段的雙頻陷波特性。同時，為了滿足天線在實際通信中的需求，在輻射貼片上引入可變電容，實現了天線高頻陷波頻率在無線局域網(WLAN)、C波段(C-band)的可調諧以及天線低陷波頻段在WLAN、電信長期演進(LTE)、通用移動電信系統(UMTS)之間的可調諧。最終，實驗結果與仿真結果相符。

1 天線設計

1.1 單頻與雙頻陷波超寬帶天線的設計

超寬帶天線由一個帶有“工”字型縫隙的方形接地板、阻抗為50 Ω的微帶饋線及圓形輻射貼片組成，其實物圖如圖1(a)、(b)所示。通過在輻射貼片上刻蝕第一個“C”型縫隙，實現了天線在7.2～7.6 GHz頻段的陷波特性，此單頻陷波超寬帶天線的正面實物圖如圖1(c)所示。同樣，為了避免3.3～3.6 GHz頻段對超寬帶通信系統產生電磁干擾，在單頻陷波超寬帶天線的基礎上刻蝕第二個“C”型縫隙，得到雙頻陷波超寬帶天線，該雙頻陷波超寬帶天線的正面實物圖如圖1(d)所示。陷波頻率為

(1)

式中：c=3×108m/s為光速；εr為介質基底的相對介電常數；L為縫隙的總長度。本文的2個縫隙長度最初值均由式(1)計算得出。

圖1 3種天線的實物圖

1.2 雙頻陷波可調超寬帶天線的設計

圖2為雙頻陷波可調超寬帶天線的結構尺寸圖。天線的整體尺寸為35 mm×38 mm，FR4介質板的介電常數為4.3，厚為1.6 mm，介質損耗為0.025。如圖2(a)、(b)所示，電容C1、C2分別橫跨在縫隙中心處。其中，C1被加在靠近饋線的小縫隙上，C2被加在另一個大縫隙上。通過改變電容值，調節陷波頻帶以適應實際通信需求。天線的實際尺寸如圖2(a)、(d)、(e)所示。

圖2 雙頻陷波可調超寬帶天線的結構尺寸圖

2 仿真及其測量結果

2.1 單頻和雙頻陷波超寬帶天線結果

為了分析天線的性能，利用安捷倫矢量網絡分析儀(Agilent E8364A)測量天線的回波損耗。圖3為超寬帶天線回波損耗的仿真與實測對比圖。其中，仿真得到的超寬帶天線工作頻段為2.75～11.69 GHz，實測結果為3.10～11.95 GHz。由于天線加工精度及天線仿真與實驗時介質板的介電常數存在誤差，實驗與仿真結果存在偏差。

圖3 超寬帶天線的仿真與實測對比圖

為了實現天線能在Wimax頻段產生阻帶，利用式(1)設計并優化了縫隙長度L1尺寸，L1=13.1 mm。圖4為單頻陷波超寬帶天線的回波損耗仿真與實測對比結果。實驗結果表明，阻帶的頻段為3.29～3.84 GHz，覆蓋了Wimax頻段。

圖4 單頻陷波超寬帶天線的仿真與實測對比圖

基于單頻陷波超寬帶天線的設計，通過加載第二個半波長“C”型縫隙，實現了雙頻陷波超寬帶天線，其縫隙長度L2的優化設計值為27.8 mm。圖5為仿真與實測的回波損耗對比結果。實測的雙頻阻帶頻段分別為3.33～4.09 GHz和6.88～7.98 GHz。

圖5 雙頻陷波超寬帶天線仿真與實測對比圖

圖6為天線在阻帶中心頻率的表面電流分布。由圖6(a)可知，電流主要分布在遠離饋線的大縫隙上。由圖6(b)可知，電流主要分布在靠近饋線的小縫隙上,這說明天線電流分布受阻帶頻率對應縫隙的影響，改變對應縫隙的等效參數能有效地控制阻帶中心頻率。

圖6 雙頻陷波超寬帶天線的電流分布圖

2.2 雙頻陷波可調超寬帶天線結果

將電容C1加在靠近饋線的小縫隙對稱中心上，而遠離饋線的大縫隙對稱中心上不加電容，帶有C1的天線結構圖如圖2(a)所示。圖7為在不同C1下，天線回波損耗的仿真對比圖。由圖可知，隨著C1的增加，高頻阻帶的中心頻率逐漸向低頻移動。C1對低頻阻帶基本不產生影響，這說明加載C1只影響高頻阻帶的頻率。因為C1加載在小縫隙的對稱中心上，輻射貼片上刻蝕小縫隙是產生高頻阻帶的主要原因，所以，C1只影響該天線的高頻阻帶。當C1分別為0.3 pF、0.4 pF、0.5 pF時，高頻阻帶的中心頻率分別為5.5 GHz、5.2 GHz、4.85 GHz，其回波損耗的最大值分別為-2.13 dB、-1.93 dB、-1.75 dB。表1為該雙頻陷波超寬帶天線通過調節C1得到的3種模式。即通過調節C1，天線能選擇性地避免在WLAN(5.47～5.725 GHz), WLAN(5.15～5.35 GHz)以及C-band(4.5～4.9 GHz)3個窄帶中受到電磁干擾，最終滿足實際通信需求。圖8為不同C1下天線回波損耗的實測結果對比圖。由圖可知，高頻阻帶的中心頻率分別是5.62 GHz、5.22 GHz、4.96 GHz。

模式固定頻率/ GHz可調頻率/ GHz模式1 (C1=0.3 pF)3.5(Wimax)5.50(WLAN)模式2 (C1=0.4 pF)3.5(Wimax)5.20(WLAN)模式3 (C1=0.5 pF)3.5(Wimax)4.85 (C-band)

圖8 不同C1值下天線回波損耗的實測對比圖

將C2加在遠離饋線的大縫隙對稱中心上，而靠近饋線的小縫隙對稱中心上不加電容，圖2(b)為加載電容C2的天線結構示意圖。圖9為不同C2值下雙頻陷波超寬帶天線回波損耗的仿真對比圖。隨著C2逐漸減小，低頻阻帶的中心頻率逐漸向高頻移動，且高頻阻帶中心頻率保持不變。當C2分別為1 pF、1.2 pF、1.5 pF時，低頻阻帶的中心頻率分別為2.45 GHz、2.33 GHz、2.18 GHz，回波損耗的最大值分別為-1.98 dB、-1.72 dB、-1.46 dB。表2為該雙頻陷波超寬帶天線通過改變C2調節低頻阻帶的3種模式。通過調節C2，使天線選擇性地在WLAN-2450、LTE-2300或UMTS-2100頻段不工作。圖10為不同C2下天線回波損耗的實測結果對比圖。由圖可知，低頻阻帶的中心頻率分別為2.31 GHz、2.17 GHz、2.02 GHz。實驗結果與仿真結果相吻合。

圖9 不同C2下天線回波損耗的仿真對比圖

模式固定頻率/ GHz可調頻率/ GHz模式1 (C2=1.0 pF)7.3(X-band)2.45(WLAN)模式2 (C2=1.2 pF)7.3(X-band)2.33(LTE-2300)模式3 (C2=1.5 pF)7.3(X-band)2.18(UMTS-2100)

圖10 不同的C2值下天線回波損耗的實測對比圖

圖11為搭建的天線測試平臺。圖12為雙頻陷波超寬帶天線的增益方向圖。該天線在2 GHz、4 GHz、6 GHz、9 GHz的最大增益分別為0.96 dB、1.74 dB、3.67 dB、4.04 dB。天線具有較好的全向輻射特性。

圖11 天線測試平臺

圖12 實測的天線增益方向圖

3 結束語

本文提出了一種雙頻陷波可調的超寬帶天線。刻蝕的“C”型縫隙使超寬帶天線擁有Wimax(3.3～3.6 GHz)與X-band(7.2～7.6 GHz)的雙頻陷波特性。天線的可調諧功能是通過在兩縫隙上各自加載可變電容實現。通過單獨改變電容C1值，天線的陷波特性可以在WLAN(5.47～5.725 GHz), WLAN(5.15～5.35 GHz)以及C-band(4.5～4.9 GHz)3個模式間切換。同理，通過單獨改變另一個縫隙上電容C2的值，可實現人為選擇阻帶以避免電磁干擾，使天線不工作在WLAN-2450、LTE-2300或UMTS-2100頻段。所設計的天線具有較好的全向輻射特性，滿足天線在通信上的實用性。