一種緊湊型電磁帶隙結(jié)構(gòu)雙陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)

時(shí)晶晶，姚佰棟，吳先良，宋 揚(yáng)，涂健民

（1.安徽博微長安電子有限公司目標(biāo)探測(cè)與特征提取安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽六安 237010；2.合肥師范學(xué)院電子信息系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230601；3.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；4.安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，安徽合肥 230601）

0 引 言

隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，高數(shù)據(jù)速率和大信道容量成為近年來研究的熱點(diǎn)。超寬帶（UWB）天線技術(shù)因其數(shù)字傳輸速度高、帶寬廣、成本低等特性倍受重視，已應(yīng)用于無線通信技術(shù)領(lǐng)域［1］。但一些窄帶信號(hào)，如WiMAX、WLAN 和X-Band 上行衛(wèi)星通信頻帶，會(huì)在超寬帶中產(chǎn)生干擾。因此，具有陷波功能的天線設(shè)計(jì)是超寬帶系統(tǒng)工程應(yīng)用中需要考慮的重要部分。

EBG 結(jié)構(gòu)在一定頻率范圍內(nèi)具有帶隙特性，被廣泛應(yīng)用在超寬帶天線的多頻段陷波技術(shù)中。1999年，Sievenpiper提出了蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)［2］。后來為了實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，Mcvay 希爾伯特曲線型EBG［3］、Park 雙層堆疊EBG［4］、Kim 平面方形螺旋EBG［5］等多種結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)。

論文基于單SCSR-EBG 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一款具有雙陷波特性的超寬帶單極子微帶天線。將開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)EBG 相結(jié)合，利用兩個(gè)并聯(lián)LC 諧振電路實(shí)現(xiàn)了雙頻段陷波，該結(jié)構(gòu)緊湊且易于工程實(shí)現(xiàn)。仿真和實(shí)物測(cè)試結(jié)果證明該天線可以有效抑制WiMAX（IEEE 802.16 3.30～3.80 GHz）和WLAN（IEEE 802.11a 5.15～5.35 GHz）兩個(gè)頻段的干擾，具備良好的陷波抑制特性，可應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)。

1 SCSR-EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［6］研究了圖1（a）所示中央過孔電磁帶隙（Central Located via Electromagnetic Bandgap，CLV-EBG）結(jié)構(gòu)的諧振頻率特性，當(dāng)EBG 尺寸與諧振波長可相比擬時(shí)，等效為LC 諧振電路，如圖1（b）所示，在特定的頻帶具有帶阻濾波器特性，實(shí)現(xiàn)單陷波。等效電感、電容如式（1）、（2）所示［7］:

圖1 CLV-EBG結(jié)構(gòu)與等效電路圖

式中μ0，w，g，εr，ε0分別是真空磁導(dǎo)率、EBG貼片寬度、EBG 單元間隙、相對(duì)介電常數(shù)和真空介電常數(shù)。而EBG 結(jié)構(gòu)的表面阻抗（Zs）、阻帶中心頻率（fc）和阻帶帶寬（BW）為［1］

CLV-EBG 在εr=3.66,tanδ=0.04,h=1.524 mm的介質(zhì)基板上陷波特性隨w變化曲線如圖2 所示，其中r=0.1 mm，s=0.1 mm。圖2 表明隨著w增大，陷波頻率減小。

圖2 貼片寬度w對(duì)CLV-EBG陷波頻率的影響

EBG 結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)雙陷波特性，在CLV-EBG 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加載容性開口諧振環(huán)（Split Resonant Ring，SRR），設(shè)計(jì)一種方型開口諧振環(huán)電磁帶隙（Square Split-Ring Resonator Electromagnetic Bandgap,SSRR-EBG）結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。該結(jié)構(gòu)的諧振頻率為

圖3 EBG結(jié)構(gòu)圖

式中LSRR為SRR 結(jié)構(gòu)總長，εeff為有效介電常數(shù)。SRR 和微帶饋線實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)帶阻濾波器，利用該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)WLAN頻段的陷波。

圖4所示為w=6.7 mm，s=0.1 mm，r=0.1 mm，εr=3.66，tanδ=0.04，h=1.524 mm 時(shí)，諧振環(huán)的開口尺寸p對(duì)第二陷波頻率影響，由圖可見隨著p增大第二陷波頻率增大。

圖4 p對(duì)SSRR-EBG第二陷波頻率的影響

為得到更好的陷波特性，設(shè)計(jì)一種基于半圓開口環(huán)結(jié)構(gòu)的電磁帶隙結(jié)構(gòu)（SCSR-EBG），如圖3（c）所示。圖5給出當(dāng)圓環(huán)半徑固定的情況下，陷波頻率隨開口尺寸g的變化特性曲線。從圖6 可以看出，在3.5 GHz 和5.2 GHz 兩個(gè)陷波頻率處，SCSREBG結(jié)構(gòu)的回波損耗均大于15 dB，陷波性能更好。

圖5 g對(duì)SCSR-EBG第二陷波頻率的影響

圖6 SCSR-EBG和SSRR-EBG陷波特性對(duì)比

2 單SCSR-EBG結(jié)構(gòu)雙陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)

超寬帶天線貼片采用杯型結(jié)構(gòu)，如圖7（a）所示，稱為天線1。圖7（b）是天線在εr=3.66，tanδ=0.04，h=1.524 mm 介質(zhì)基板上駐波比（VSWR）的仿真結(jié)果，結(jié)果表明，在整個(gè)超寬帶頻段VSWR＜2，天線阻抗匹配良好。

圖7 杯型超寬帶單極子微帶天線（天線1）

將SCSR-EBG 結(jié)構(gòu)應(yīng)用在天線1 中，結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示，稱為天線2。其中W=10.6 mm，s=0.1 mm，r=0.1 mm，g=1 mm。VSWR 仿真結(jié)果如圖8（b）所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)WiMAX和WLAN頻段的陷波。

圖8 SCSR-EBG雙陷波天線（天線2）

當(dāng)天線2 工作在WiMAX 頻段時(shí)，電流主要集中在SCSR-EBG 結(jié)構(gòu)的金屬過孔處，如圖9（a）所示，通過金屬過孔將電流引到接地板，實(shí)現(xiàn)天線對(duì)該頻段的陷波；當(dāng)天線2 工作在WLAN 頻段時(shí)，電流主要分布在開口諧振環(huán)上，如圖9（b）所示，開口諧振環(huán)產(chǎn)生反向電場(chǎng)阻礙信號(hào)向輻射貼片傳輸，實(shí)現(xiàn)其陷波特性。

圖9 不同頻率SCSR-EBG電流分布

3 實(shí)物測(cè)試

利用Agilent PNA-X 對(duì)天線2 駐波特性進(jìn)行測(cè)試，從圖10（a）實(shí)測(cè)VSWR 曲線可以看出，天線2在3.47～4.15 GHz 和4.78～5.59 GHz 處，VSWR＞12。證明SCSR-EBG 結(jié)構(gòu)對(duì)WiMAX 和WLAN 雙頻段陷波的可行性。天線輻射特性測(cè)量系統(tǒng)如圖10（b）所示。

圖10 天線2測(cè)試

圖11 為在工作頻率4 GHz 和6 GHz 時(shí)天線1、天線2 方向圖仿真和天線2 測(cè)試結(jié)果，通過E 面和H 面方向圖可以觀察到天線基本具有全向輻射特性，并且證明了SCSR-EBG 結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射性能影響較小。

圖11 天線1、2仿真和天線2測(cè)試方向圖

論文對(duì)具有陷波特性的天線相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了檢索，表1所示為其他EBG結(jié)構(gòu)雙陷波天線與論文設(shè)計(jì)天線的性能比較。本文使用單個(gè)EBG 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超寬帶天線的雙陷波，并且達(dá)到良好的陷波特性。與文獻(xiàn)［11］中采用開縫式EBG 實(shí)現(xiàn)WiMAX 和WLAN 雙頻段陷波相比，電性能相當(dāng)，但本文提出的SCSR-EBG 結(jié)構(gòu)更加緊湊，大小僅為0.13λc1*0.065λc1。

表1 各文獻(xiàn)EBG天線雙陷波特性對(duì)比

4 結(jié)束語

論文設(shè)計(jì)了一種基于SCSR-EBG 結(jié)構(gòu)的新型雙陷波超寬帶單極子微帶天線。此天線利用單個(gè)大小為0.13λc1*0.065λc1的SCSR-EBG 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)WiMAX 和WLAN 頻段的抑制，該結(jié)構(gòu)具有簡單易集成、陷波特性明顯、對(duì)帶內(nèi)輻射性能影響小等優(yōu)點(diǎn)，在緊湊型雙陷波超寬帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有應(yīng)用潛力。