陷波可重構的小型化UWB天線設計與實現

王欣偉，王 超，梁 青

(西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安 710121)

可重構天線具有在一個結構尺寸中實現多個天線功能的特點，在提高空間利用率的同時還能減少通信系統間的相互干擾，從而得到了廣泛應用。超寬帶(Ultra-Wideband, UWB)天線作為超寬帶無線通信系統的主要組成部分，得到了大量研究[1-3]。在超寬帶的頻段內包含有諸多的窄帶通信頻段，這些窄帶頻段對UWB天線系統存在干擾[4-6]，導致無線通信系統的信噪比下降，接收靈敏度惡化，甚至造成通信中斷。為解決該問題，傳統的方法是通過在天線前端添加濾波器件的方式來抑制窄帶信號的干擾，該方法增加了天線的體積，且設計成本較高，已經逐漸被淘汰。

相關研究發現，在天線自身結構中引入陷波結構，能夠有效抑制窄帶頻率信號的干擾。陷波結構的生成主要包括刻蝕幾何槽[7-10]、添加寄生結構[11-12]以及引入諧振枝節[13-14]等3類方法。其中，采用添加寄生結構的方法時，若需要的陷波個數較多，多個寄生結構之間產生耦合效應，影響天線自身工作性能。使用引入諧振枝節的方法，當需要的阻帶頻段頻率較低時，諧振枝節過長，不利于天線的集成化。相對而言，應用天線表面刻蝕幾何槽方法，能夠在不影響天線阻抗匹配的情況下，有利于天線小型化。

研究發現，在陷波結構中引入PIN二極管開關，可以實現陷波頻率的可重構。例如，通過在輻射貼片幾何槽內加載PIN二極管開關[15]以及通過在輻射貼片幾何槽和缺陷地內加載PIN二極管[16]等方式能夠實現雙陷波可重構UWB天線，但這兩種方法僅能夠實現兩個頻段的陷波，應用范圍受限。

為了增加陷波可重構的頻段，通過在微帶饋線縫隙的中間位置加載PIN二極管開關改變縫隙的諧振特性，以實現陷波頻段的可重構特性，并通過在輻射貼片幾何槽內加載PIN二極管開關的方式，實現一種3陷波可重構的超寬帶天線。

1 天線結構設計及陷波原理

陷波可重構天線主要由階梯狀輻射貼片、微帶線饋線和矩形地板等部件組成，采用刻蝕幾何縫隙的方法來實現陷波功能。

1.1 天線結構設計

天線結構示意圖如圖1所示。

圖1 天線結構示意圖

圖1中，W為天線介質板的寬度，L為介質板的長度，h為介質板厚度，Lg為接地板的長度，Wf為饋線的寬度，Lf為饋線的長度，s為縫隙的間距，W1、W2和W3為3個陷波頻段的縫隙寬度，L1、L2和L3為3個陷波頻段的縫隙長度，W4、W5和W6為輻射貼片的寬度，L4和L5為輻射貼片長度，d和d1為C形縫隙中貼片長度。整個輻射貼片呈階梯分布，天線輸入阻抗變化緩慢，有利于展寬天線的帶寬。

在天線中刻蝕的幾何縫隙長度L的計算公式[17]為

(1)

式中：c表示真空光速；fnotch表示需要濾除波段的中心頻率；εe表示等效介電常數，其計算表達式為

(2)

其中：εr為介質板的相對介電常數；h為介質板的厚度；w為貼片天線寬度。

1.2 陷波產生原理

在天線輻射貼片以及饋線上刻蝕幾何縫隙，當縫隙產生諧振時，其兩邊電流流向相反，在遠區場的輻射被減弱，從而能夠實現陷波特性。諧波的中心頻率由刻蝕的幾何縫隙的長度決定，陷波帶寬由幾何縫隙的寬度決定，通過調節刻蝕縫隙的數量和尺寸大小，從而改變陷波的頻段數、中心頻率和帶寬。

2 天線仿真與分析

天線的印刷基板為FR4介質，尺寸為21.0 mm×12.0 mm×1.6 mm，即天線的長度L為21.0 mm，寬度W為12.0 mm，厚度h為1.6 mm。采用ANSOFT HFSS仿真軟件的參數掃描方法，分析不同結構尺寸參數對天線性能的影響。

2.1 接地板的長度參數

分析不同的接地板長度參數Lg對未加陷波的超寬帶天線回波損耗S11的影響。分別取Lg為2.25 mm、3.25 mm和4.25 mm，不同尺寸Lg的回波損耗仿真結果如圖2所示。可以看出，當Lg=2.25 mm時，在高頻段10 GHz處回波損耗S11大于-7.5 dB。當Lg=4.25 mm時，在低頻段4 GHz處回波損耗S11大于-7.5 dB。當Lg=3.25 mm時，在4 GHz至10 GHz的頻帶范圍內回波損耗S11小于-10 dB，且較為平坦，故取天線地板長度為3.25 mm。

圖2 不同Lg尺寸的回波損耗S11

2.2 縫隙尺寸對陷波頻率的影響

由式(1)和式(2)可知，陷波中心頻率與刻蝕縫隙的尺寸大小成反向變動關系。為了得到最佳縫隙尺寸，對天線輻射貼片上的C形幾何縫隙寬度W2進行參數仿真。分別取W2為5.6 mm、6.0 mm和6.4 mm進行參數分析，不同縫隙寬度的回波損耗仿真結果如圖3所示。可以看出，當縫隙寬度W2從5.6 mm增加到6.4 mm時，陷波帶寬由3.72～4.16 GHz增加到3.50～4.16 GHz，W2寬度增加，陷波頻段會向低頻段擴展。與此同時，從4.16～10.84 GHz的頻帶內回波損耗S11均小于-10 dB，W2的改變對其他頻帶的回波損耗影響較小。

圖3 不同縫隙寬度的回波損耗S11

2.3 超寬帶陷波天線仿真結果

根據參數仿真掃描分析結果，得到最優的參數設置。其中，接地板長度Lg為3.25 mm，饋線寬度Wf為2.00 mm，饋線長度Lf為7.00 mm，縫隙間距s為0.20 mm，陷波縫隙寬度W1為1.00 mm、W2為6.00 mm以及W3為4.50 mm，陷波縫隙長度L1為6.00 mm、L2為8.20 mm以及L3為6.70 mm，輻射貼片寬度W4為7.20 mm、W5為8.60 mm以及W6為10.00 mm，輻射貼片長度L4為8.00 mm，L5為2.50 mm，C形縫隙中貼片長度d為2.00 mm，d1為1.30 mm。

天線回波損耗的仿真結果如圖4所示。

圖4 天線回波損耗的仿真結果

可以看出，在3.57～4.16 GHz、4.60～5.00 GHz和6.86～7.63 GHz等3個頻段內回波損耗S11>-10 dB，在阻抗上實現了3個頻段的陷波特性。

天線在3.5 GHz、6.0 GHz以及8.0 GHz的輻射方向圖如圖5所示。可以看出，在3.5 GHz和6.0 GHz時，方向圖H面近似為一個圓，天線具有全向輻射特性；在高頻段8.0 GHz時，H面輻射方向圖發生輕微畸變，但仍具有全向輻射特性，滿足UWB通信系統終端設備對天線全向輻射的要求。

圖5 天線的輻射方向圖

2.4 陷波的可重構特性

通過射頻開關以實現刻蝕縫隙的可重構，從而實現陷波頻率可重構。在HFSS軟件中，采用集總邊界條件替代PIN二極管在導通和斷開時的狀態。當二極管導通時，其導通電阻約為2 Ω，等效串聯電感為0.7 nH，可以在仿真模型縫隙中間位置加載兩個集總邊界條件的貼片，將電阻和電感串聯在縫隙中間。當二極管斷開時，其等效電阻約為3 000 Ω，同時分布電容約為0.12 pF，可以在仿真模型縫隙中間位置加載一個集總邊界條件的貼片，將電阻和電容并聯在縫隙中間。

不同開關狀態下電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR)仿真結果如圖6所示。可以看出，當開關1、開關2和開關3都導通時，天線整體工作帶寬為4.19～10.30 GHz，此時無陷波頻段；當開關1和開關2斷開，開關3導通時，天線整體工作帶寬為3.43～10.78 GHz，此時存在3.58～4.15 GHz和4.57～4.85 GHz兩個陷波頻段；當開關1和開關2導通，開關3斷開時，天線整體工作帶寬為4.24～10.39 GHz，具有6.85～7.61 GHz頻段陷波；當開關1、開關2和開關3都斷開時，天線整體工作帶寬為3.41～10.84 GHz，具有3.57～4.16 GHz、4.60～5.00 GHz和6.86～7.63 GHz等3個陷波頻段。

圖6 不同開關狀態下的電壓駐波比仿真結果

2.5 天線表面電流分布

不同陷波頻率處表面電流分布情況如圖7所示。可以看出，當天線分別工作在3.80 GHz、4.80 GHz和7.20 GHz頻率時，天線的表面電流幾種分布在縫隙邊緣，且在縫隙的兩邊電流方向相反，電磁波能量不能有效輻射出去，從而在該頻段產生陷波效果。

圖7 不同陷波頻率處表面電流分布

3 測試與分析

根據仿真結果加工焊接天線，天線實物圖如圖8所示。

圖8 天線實物圖

圖8(a)天線為開關全斷開狀態，圖8(b)天線為開關1和開關2斷開，開關3導通狀態天線，圖8(c)天線為開關1和開關2導通，開關3斷開狀態，圖8(d)天線為開關1、開關2和開關3均導通狀態。4種狀態的電壓駐波比仿真與實測對比結果如圖9所示。

圖9 4種開關狀態下的電壓駐波比測試結果

由測試結果可以看出，陷波中心頻率與仿真結果較吻合，提出的設計方法能夠實現3個陷波超寬帶天線的陷波頻率可重構，但通帶內匹配情況有所惡化，這是由于加工所用的介質板材料為FR4，介電常數不均勻會導致匹配變化。測試時引入的射頻連接器以及測試線纜也會影響匹配，另外，測試時采用理想金屬片代替PIN開關二極管，導致測試與仿真有所偏差。

4 結語

通過在天線輻射貼片、微帶饋線上刻蝕幾何縫隙，使天線產生諧振陷波頻率。在刻蝕縫隙中心位置加載PIN二極管開關，通過控制二極管開關的導通和斷開狀態，改變刻蝕幾何縫隙的結構特性，從而實現陷波頻率的可重構效果，提高天線的空間利用率。測試結果表明，設計的陷波頻率可重構超寬帶天線，在3.41～10.84 GHz頻帶范圍內具有3個陷波頻率可重構的特性，阻抗特性以及輻射特性能夠滿足超寬帶系統使用要求。