多功能可調諧超寬帶陷波天線設計與實現

莊華偉，鞏皓冰，袁華中，張吉祥

(1.山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101；2.山東省智能建筑技術重點實驗室，山東 濟南250101；3.山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101)

0 引言

近年來，隨著無線通信技術的飛速發展以及網絡覆蓋區域日益增多，人們對現代通信多業務、高速率、高質量的要求也在急劇增加。天線處于無線通信系統架構的最前端，在無線通信中起著至關重要的作用，成為現代無線通信中最受關注的技術領域之一。目前，國內外天線的研究主要面向小型化、寬頻帶和多頻段的方向發展[1-7]。在諸多天線中，微帶天線有著重量輕、體積小、低剖面、電性能多樣化、易集成和易共形的特點，已廣泛應用于飛行器、衛星通信、遙感技術和雷達等領域[8-9]。然而，傳統的微帶天線結構獨特，存在帶寬度窄的缺陷，無法滿足現代無線寬帶及超寬帶通信系統要求。超寬帶UWB(Ultra-Wide Band)天線最早起源于單極子天線，在其基礎上進一步發展出了圓形及橢圓形結構。近年來，基于印刷電路板的超寬帶天線因其制作成本低、易于集成等特點，得到了學者們的重視，逐漸成為超寬帶天線研究的趨勢和熱點。目前，研究人員通過增加介質層厚度、修改其介電常數、采用枝節加載技術、在貼片內刻蝕不同寬度的縫隙以及調整微帶天線的物理結構等方法增加諧振點進而實現微帶天線的頻帶展寬[10-12]。

為了避免無線局域網、無線城域網、衛星通訊以及5G移動通信等應用與超寬帶通信系統頻帶交疊，學者們專注于對微帶結構進行改造，以滿足天線在特定頻段的陷波特性[13]。目前，多種陷波實現技術相繼提出，如在饋電前端增加濾波器結構、在天線側加載諧振枝節、在饋線或接地板上刻蝕槽型縫隙等[14-19]。但是，現有的陷波天線存在可調諧性差、尺寸大、結構復雜以及難以調控等缺點，很難大規模推廣和應用。文章借助傳統的耦合模式方法，設計并研究了一種多功能可調諧超寬帶陷波天線；利用矩形環貼片諧振結構實現頻段在3.1～10.6 GHz，引入特定尺寸的寄生諧振單元來實現陷波特性，通過調節寄生單元的長度(寬度)實現陷波功能的可調諧性，并完成天線的制作與測試。

1 超寬帶陷波天線結構與工作原理

1.1 超寬帶陷波天線結構

選擇體積小、易集成的微帶天線，利用HFSS軟件進行設計仿真與性能優化[20-21]。所設計的天線是以單級子天線結構為基礎改造而成的一種新型貼片天線，結構如圖1所示。整個天線由介質層、矩形環輻射單元、寄生單元、微帶饋線以及參考地構成。其中，輻射單元、寄生單元和微帶饋線位于介質層的上側，而參考地則位于介質層的下側。輻射單元、寄生單元、饋線以及參考地均采用銅材料，其電導率為5.8×107S/m。

圖1 UWB陷波天線結構尺寸示意圖

1.2 超寬帶陷波天線工作原理

UWB陷波天線工作原理是利用同軸線饋電在其輻射單元和地板之間的縫隙產生電勢差，在周圍產生特定的電場分布。由于時變電場會感應出相應的時變磁場，使得天線產生向外輻射的電磁波。對天線輻射場的詳細分析結果，通常是在給定邊界條件下求解麥克斯韋方程組獲得。天線整體尺寸為W1×L1(35 mm×30 mm)，在其上層中間設置矩形環貼片輻射單元。作為一種單極子天線引申物，天線的有效長度度約等于天線諧振時對應工作波長的1/4，由式(1)和(2)表示為

式中:Leff為天線有效波長，mm；εeff為天線有效相對介電常數；fr為諧振頻率，Hz；c為光速，m/s；εr為相對介電常數，其值為為介質板厚度，mm；W5為微帶饋線的寬度，mm。

通過不斷調節各矩形貼片的長度(寬度)值以拓展不同矩形貼片諧振頻率及頻帶寬度，最終滿足天線的超寬帶特性。陷波的實現是在矩形環中央靠近饋電側連接尺寸為W4×G1的矩形寄生諧振單元，其諧振頻率由式(3)表示為

式中:fn為寄生單元諧振頻率，Hz；L為寄生諧振單元有效長度，mm，取決于寄生單元長度G1值。利用寄生諧振單元諧振時，與矩形環電磁能量相互耦合，導致諧振頻率附近輻射抑制，進而產生陷波效應。

2 超寬帶陷波天線的設計與實現

UWB陷波天線的設計思路是通過調節矩形輻射單元尺寸來實現天線的寬頻帶特性，在此基礎上加入寄生單元實現某一頻段內的陷波特性。根據以上設計思路，利用HFSS電磁仿真軟件建模[20]，制作天線實物，通過矢量網絡分析儀對微帶天線實物進行測試，并將所測結果與仿真數據相比較來驗證設計思路的可靠性和可行性。

2.1 超寬帶特性的實現

在設計過程中，介質基板選用電氣性能優良的FR4材料，相對介電常數εd為 4.4，損耗角正切tanδ為0.02，基板尺寸為 35 mm ×30 mm，厚度為1.6 mm。超寬帶特性的實現是通過在介質基板上用多個矩形貼片組合成一個方形環狀天線。微帶線饋電點的位置選擇輻射貼片的中點，饋電點與輻射貼片邊緣距離為L3，對于介質基片厚度為1.6 mm的FR4環氧樹脂板的微帶天線，通過計算得出當微帶天線饋線寬度W5為3.4 mm時，在整個寬頻帶內其輸入阻抗約控制在50 Ω。

利用矩形環結構中相鄰貼片之間耦合，不斷調節尺寸參數增加諧振點來擴寬頻帶。利用全波仿真軟件HFSS，對不同長度的W2、W3變量分別進行仿真分析，同時兼顧最小反射系數和可用帶寬，超寬帶天線變量優化圖與優化后的電壓駐波比VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)分布如圖2所示。由圖2(a)可看出，在W2為 16 mm時，天線回波損耗S11在5.6～7.2 GHz頻段內＞-10dB，不符合超寬帶特性；再對比其他兩條曲線，W2為15 mm時，其反射系數更小，特性更好，故該長度為最優長度。在圖2(b)中，當W3為3.35 mm時為最優長度。通過不斷的分析與優化，當W2為 15 mm、W3為 3.35 mm、L2為15 mm以及L5為2.5 mm時，可保證該貼片組合在3.1～10.6 GHz頻段內均滿足回波損耗＜-10 dB。在確定天線最終尺寸后仿真得到其VSWR結果，如圖2(b)中紅色實線所示。所得VSWR在整個頻段內均＜2，基本處于1.0～1.5，可以很好地滿足UWB通信要求，實現微帶天線的超寬帶特性。

圖2超寬帶天線變量優化圖與優化后的電壓駐波比分布圖

2.2 陷波特性的實現

為了實現天線多功能特性且不受其它無線通信系統的交疊影響，在超寬帶的基礎上利用陷波技術抑制輻射進而屏蔽干擾。為此，需要在產生陷波的頻段內抑制電磁輻射能量。在矩形環內，引入長度約為1/4陷波中心頻率諧振波長的寄生諧振單元來實現阻帶特性。微帶天線作為一種單極子天線的引申物，大多是利用式(3)根據其等效尺寸得出產生回波損耗最小值的諧振頻點，而其波形各頻點及其對應極值的取值一般采用軟件仿真或實測的方法求得。從電路的觀點來看，認為天線是一個有耗的端口網絡，其功率的消耗等價于其輻射功率。目前，天線的電路結構大多采用低損耗的電阻電容(RC)串聯諧振或電阻電感電容(RLC)并聯諧振電路模型來等效，其具體參數值則要利用仿真結果不斷微調其等效模型來獲取[22]。

在方形環內引入一個尺寸為G1×W4的寄生單元，利用其與矩形環諧振器同時諧振產生耦合干涉導致輻射抑制，進而產生陷波效應。根據仿真優化結果得出的天線尺寸參數值見表1。利用專業刻蝕加工技術制作了天線實物，尺寸較普通硬幣略大。

在微波暗室內，利用矢量網絡分析儀測量天線實物的回波損耗S11和VSWR，如圖3所示。在帶寬為3.1～10.6 GHz的通頻帶內，天線在陷波頻段內回波損耗＜-10 dB，VSWR基本＜2，與仿真結果基本一致。在常用的5.15～5.85 GHz頻段處，駐波比顯著上升，出現了良好的陷波效果。但實測的回波損耗S11在7.0～8.5 GHz頻段內有升高趨勢，且駐波比數值較仿真結果略微偏大。存在差異的原因，主要包括天線加工過程中的尺寸誤差、同軸反極性公頭的焊接工藝以及材料本身產生的誤差等[18-19]。測試結果和仿真結果基本吻合，滿足設計要求，從而證實該新型超寬帶陷波UWB天線的設計是成功且具有應用價值的。

表1 天線尺寸參數表/mm

圖3 UWB陷波天線仿真與實測對比圖

為了更直觀地分析其陷波特性，進一步給出了UWB微帶天線在3.5、5.8 GHz時的電流分布，如圖4所示。

圖4 UWB陷波天線電流分布圖

當頻率為3.5 GHz時，天線處于通頻帶，電流分布于矩形環內并產生諧振，有利于電磁能量的輻射。利用寄生枝節來實現陷波特性在陷波諧振點處的表面電流主要集中在枝節處而在輻射單元部分電流很少[15]。其產生機理是在枝節諧振時導致天線諧振阻抗與饋線失配，致使能量被大量反射回饋電測。與此不同，在陷波頻率為5.8 GHz時，電流同時分布在矩形環輻射貼片和寄生單元表面，使二者能量產生相互耦合效應。寄生諧振單元與矩形環輻射貼片同時諧振，由于二者距離很近，致使2部分能量相互耦合產生類似于電磁誘導透明傳輸特性EIT(Electromagnetically Induced Transparency)的透明窗口內的輻射隔離帶，導致部分電磁能量無法正常輻射出去，進而在該頻段形成陷波。

對其電場增益進行仿真，進一步分析其輻射與陷波特性，如圖5所示。天線在3.5、5.8 GHz的電場3D增益圖分別如圖5(a)、(b)所示。不難看出，在面yOz方向上有著非常好的全向輻射特性，增益效果非常好且在面xOy方向上接近雙向模式；因陷波抑制其輻射能量明顯減小，xOy方向輻射明顯降低，僅在垂直于xOy平面上輻射較強。xOy面歸一化的2D輻射方向圖如圖5(c)所示。不難看出，作為一種單極子天線演變產物，該天線符合寬波束特性，在陷波頻段(5.8 GHz)內輻射范圍有所減小。這次設計可以為超寬帶系統的運行提供一個大而均勻的覆蓋范圍。在通帶，天線增益穩定地變化在3～4 dBi之間，發射效率＞50%；而在阻帶上，其增益和效率都較低。通過以上分析可以很好地驗證設計思路的可行性。

圖5 UWB陷波天線3D電場增益圖與輻射方向圖

2.3 可調諧功能的實現

寄生單元諧振頻率取決于其尺寸，通過改變其長度(寬度)分析其對陷波抑制的影響，進而實現對天線結構的性能優化。利用HFSS軟件分別對寄生單元長度G1和寬度W4分別進行優化，結果如圖6所示。將寄生單元寬度W4固定為3 mm長度，G1取1～6 mm時，陷波中心頻率產生明顯的紅移，可調節范圍在3.5～7.0 GHz之間。 而當G1固定為5 mm，W4由1 mm增加到5 mm時，陷波中心頻率產生紅移，但變化不夠明顯。因此，通常選擇寄生單元長度G1作為可調諧變量，根據不同需求來改變G1值實現不同的陷波功能，以適應未來不同的應用環境。

圖6 UWB陷波天線寄生單元尺寸變化回波損耗S11參數分布圖

現階段，在UWB天線產生陷波效應主要通過在饋線、接地板或輻射單元上刻蝕不同形狀的槽型結構來實現，利用槽型結構隔斷電流流向導致多點諧振并產生陷波。由于電流流向的不確定使得槽型結構尺寸與陷波諧振點無法滿足線性對應關系故無法實現對陷波頻率的精確操控。同時，利用在饋線側加接諧振枝節也可產生陷波效應，但是增加的枝節會導致天線尺寸的進一步增加，同時增加了刻蝕加工的復雜度。因此，通過上述陷波天線可調諧性能的分析，可實現陷波頻率的完美操控。同時天線結構簡單、尺寸小，易于刻蝕加工與生產。

3 結論

在現有微帶天線的基礎上，文章設計并制作了一種多功能可調諧UWB陷波天線，并將天線實物測試數據與仿真數據相比較，分析了其超寬帶、陷波等特性，主要結論如下:

(1)所設計的天線可覆蓋頻率范圍為3.1～10.6 GHz，且在除陷波頻段外，回波損耗均＜-10 dB、電壓駐波比基本＜2，發射效率＞50%，可達到良好的增益、全向輻射特性。

(2)利用矩形環貼片結構實現寬頻帶特性，在矩形環內引入寄生諧振單元抑制特定頻段天線的輻射特性，即產生陷波效應，改變寄生諧振單元的尺寸，可滿足特定頻段內的陷波特性。