加載高阻抗表面結構的超寬帶陷波天線設計

張 杰，劉宇峰，趙明霞

(山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006)

0 引 言

近些年來，超寬帶天線以其制作簡單、重量輕、成本低等優點在無線通信中得到了廣泛的應用[1]. 聯邦通訊委員會為超寬帶天線系統分配的頻率范圍是3.1 GHz～10.6 GHz[2]，而超寬帶天線作為一種特殊的天線，帶寬比較寬，所以可能有特定頻率范圍內的信號對天線造成干擾[3]，故而需要在超寬帶系統的頻率范圍內形成特定頻率范圍的陷波頻段[4,5]. 例如，在微波接入WiMAX頻段和無線局域網WLAN頻帶內形成陷波，以阻止這兩個頻段內的信號對系統進行干擾. 為了解決上述問題，研究者引入了一種新型的結構，即高阻抗表面結構(High impedance surface, HIS)[6,7].

高阻抗表面結構是一種表面波在特定頻率范圍內無法傳播的結構，其中的特定頻率范圍叫做高阻抗表面的帶隙頻率范圍，在帶隙頻率范圍內可以有效地避免表面波對微波天線系統造成的不良影響. 常見的高阻抗表面結構有波紋表面結構、凹凸表面結構、蘑菇型表面結構、可調諧式阻抗表面結構等. 可以用來消除或減弱平面電路中的表面波，而減少互耦、改善天線性能，實現諧振器或波導，實現濾波器、移相器功能等，故而本文考慮在一種傳統的天線中引入高阻抗表面結構，以實現天線緊湊性，并使得天線在特定的頻率范圍內形成陷波[8,9].

本文在單極子貼片天線的微帶饋線兩側添加開阿基米德螺旋結構縫隙[10]的蘑菇型高阻抗表面單元[11]，使得天線在WiMAX頻段形成陷波，單元尺寸相對傳統的高阻抗表面結構縮小了55.2%，增加了結構的緊湊性；再將饋線左側的高阻抗表面結構尺寸縮小為右側結構的69%，成功地實現了天線在WLAN頻段和WiMAX頻段形成雙陷波.

1 基于開槽高阻抗表面的圓形單極子貼片天線設計

圖1 所示為高阻抗表面單元結構，深色部分為上層金屬貼片及下層接地板，淺色部分為介質，無色部分為過孔.

圖1 高阻抗表面單元結構Fig.1 The structure of HIS unit cell

圖2 為高阻抗表面結構的等效電路圖.L由流過中間過孔的電流產生，C由相鄰貼片的間隙效應引起. 在等效模式下，高阻抗表面的阻抗理解為電容電感并聯諧振(LC并聯諧振)阻抗. 高阻抗表面的阻抗特性為： 在低于諧振頻率處，高阻抗表面的表面阻抗為正，阻抗值是感性；在高于諧振頻率處，高阻抗表面的表面阻抗值為負，阻抗值是容性. 故在低于諧振頻率時，高阻抗表面支持TM模式下的表面波，在高于諧振頻率時，支持TE模式下的表面波. 在實際中，高阻抗表面單元結構的諧振頻率附近范圍存在著帶隙頻段，在此帶隙頻段內，它不支持TM模式及TE模式下表面波的傳播，所有的表面波都被抑制.

圖2 高阻抗表面結構的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of HIS structure

為達到設計要求，本節在高阻抗表面單元上蝕刻阿基米德螺旋結構縫隙. 圖3 為加載開槽高阻抗表面的圓形單極子貼片天線的結構圖，圖中深色區域為圓形金屬貼片和微帶饋線，以及下層的矩形金屬地. 淺色區域為介質基板，厚度為2 mm. 阿基米德螺旋線距離高阻抗表面中間過孔圓心的距離為0.65 mm，相鄰螺旋線之間的距離為0.13 mm，線寬為0.3 mm，需要旋轉的角度為570°. 優化之后的其他各結構參數如表1 所示. 天線采用SMA同軸饋電，天線的結構尺寸為45 mm×50 mm.

圖3 加載開槽高阻抗表面的圓形單極子天線結構圖Fig.3 Configuration of a circular monopole antennawith slotted HIS

表1 加載開槽高阻抗表面的圓形單極子貼片天線結構參數值Tab.1 Geometrical parameter values of circular monopolepatch antenna with slotted HIS.

等效電路圖如圖4 所示，高阻抗表面結構和微帶饋線之間的間隙用電容C0表示，高阻抗表面結構與地之間電容用C1表示，高阻抗表面中間過孔的電感用L1表示，開槽后在高阻抗表面單元上形成的電感用L2表示. 相當于高阻抗表面結構產生一個排斥帶，等效為一個串聯諧振與天線并聯. 天線的諧振頻率可以寫成如下公式

圖4 加載開槽高阻抗表面的圓形單極子天線等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit of circular monopoleantenna with slotted HIS

圖5 為加載開槽高阻抗表面結構的圓形單極子貼片天線在3.5 GHz和5.5 GHz處電流分布圖. 可以看出電流在3.5 GHz處主要集中在高阻抗表面結構中，圓形輻射貼片上集中的電流很少，所以高阻抗表面單元在3.5 GHz處形成了一個陷波. 而在5.5 GHz處，電流主要分布在微帶饋線和圓形輻射貼片上，所以天線在此頻率下有很好的輻射性能，沒有產生陷波.

圖5 加載開槽高阻抗表面的圓形單極子天線電流分布圖Fig.5 Surface current distribution of circular monopoleantenna with slotted HIS

圖6 為開槽高阻抗表面的圓形單極子天線實物圖. 圖7為開槽高阻抗表面的圓形單極子天線的駐波比仿真和測量圖. 結果顯示開槽高阻抗表面的圓形單極子天線在3.1 GHz～3.94 GHz頻率范圍內，說明對高阻抗表面進行阿基米德螺旋線開槽后，天線會在此頻率范圍內具有較強的幅值缺口，從而天線會在WiMAX頻段內形成陷波. 高阻抗表面單元的尺寸為5.2 mm，與未開槽高阻抗表面單元的尺寸相比縮小了55.2%，說明給高阻抗表面結構開槽，即使用電感增強的高阻抗表面結構后，需要的高阻抗表面單元尺寸大大地縮小，實現了高阻抗表面單元的緊湊性的要求.

圖6 加載開槽高阻抗表面單元的圓形單極子貼片天線實物圖Fig.6 Fabricated prototype of circular monopole patchantenna with slotted HIS unit cell

圖7 加載開槽高阻抗表面的圓形單極子天線的駐波比仿真與測量圖Fig.7 Measured and simulated VSWR of circular monopoleantenna with slotted HIS

圖8 和圖9 分別為d1和r1的值對陷波頻帶的影響. 結果顯示，d1的值在0.1 mm～0.4 mm范圍內，隨著d1的增大，頻帶的寬度逐漸減小，駐波比的峰值也逐漸減小，頻帶向高頻移動；r1的值在0.2 mm～0.8 mm范圍內，隨著r1的增大，頻帶的寬度基本不變，駐波比的峰值的變化比較小，頻帶會向高頻移動，而且在r1=0.8 mm時，天線的陷波效果發生惡化，陷波頻帶也不在WiMAX頻段范圍內.

圖8 加載開槽高阻抗表面的圓形單極子天線在不同d1值的駐波比隨頻率變化曲線Fig.8 VSWR versus frequency of circular monopole antennawith slotted HIS at different d1

圖9 加載開槽高阻抗表面的圓形單極子天線在不同r1值的駐波比隨頻率變化曲線Fig.9 VSWR versus frequency of circular monopole antennawith slotted HIS at different r1

2 基于不對稱新型高阻抗表面的圓形單極子貼片天線設計

本節是在上一節的基礎上對開槽高阻抗表面進一步地改進. 通過在微帶饋線兩邊加載尺寸不同的開槽高阻抗表面，使天線可以在WLAN頻段和WiMAX頻段形成雙陷波. 改進型開槽高阻抗表面的圓形單極子天線的結構如圖10 所示. 與上一節結構比較，改變之處是將左邊開槽高阻抗表面進行整體結構的縮小，縮小倍數k經優化后定為0.69，天線的結構尺寸為45 mm×50 mm.

圖10 加載不對稱開槽高阻抗表面的圓形單極子天線結構圖Fig.10 Structure of circular monopole antenna withasymmetric slotted HIS

圖11 為加載不對稱開槽高阻抗表面結構的圓形單極子貼片天線在3.5 GHz和5.5 GHz處電流分布圖. 可以看出在3.5 GHz處電流集中在右邊的高阻抗表面結構，圓形輻射貼片上幾乎沒有電流，說明右邊高阻抗表面單元在3.5 GHz處形成了一個陷波. 同理，在5.5 GHz處的電流分布在左邊的高阻抗表面，同樣形成了一個陷波.

圖11 加載不對稱開槽高阻抗表面的圓形單極子天線電流分布圖Fig.11 Surface current distribution of circular monopole antennawith asymmetric slotted HIS

如圖12 為不對稱開槽高阻抗表面的圓形單極子天線實物圖. 圖13 為不對稱開槽高阻抗表面的圓形單極子天線的駐波比仿真和測量圖. 結果顯示，不對稱開槽高阻抗表面單元的圓形單極子貼片天線在3.3 GHz～3.8 GHz頻率范圍和5.15 GHz～5.8 GHz頻率范圍內，說明不對稱開槽高阻抗表面的圓形單極子天線會在WiMAX頻段內和WLAN頻段內都形成陷波.

圖12 加載不對稱開槽高阻抗表面的圓形單極子天線實物圖Fig.12 Fabricated prototype of circular monopole patch antennawith asymmetric slotted HIS

圖13 加載不對稱開槽高阻抗表面的圓形單極子天線的駐波比仿真與測量圖Fig.13 Measured and simulated VSWR of circular monopoleantenna with asymmetric slotted HIS

3 結 語

本文第一部分通過在單極子貼片天線的微帶饋線兩側添加蝕刻阿基米德螺旋結構縫隙的高阻抗表面單元，實現了天線在WiMAX頻段形成陷波，與未開槽的高阻抗表面結構相比，尺寸縮小了55.2%，大大提升了結構的緊湊性. 第二部分又對饋線左邊的高阻抗表面結構進行整體縮小，尺寸相對右側結構縮小了31%，并且實現了天線在WLAN頻段和WiMAX頻段形成雙陷波. 仿真與測試結果取得了良好的一致性. 這些研究證明了高阻抗表面結構在設計陷波天線上的可行性，為超寬帶陷波天線的設計提供了一種行之有效的方法，具有實際意義.