频率可重构超宽带天线研究

田雨波 谭冠南

（江苏科技大学电子信息学院，江苏 镇江212003）

引 言

随着科学技术的发展，无线传输技术在人们的生产生活中发挥着越来越重要的作用。为了满足宽带化的需要，对超宽带天线的研究具有重要的意义［1］。从目前的研究来看，常见的平面结构的超宽带天线主要包括平板单极子天线［2］、印刷单极子天线［3－4］和印刷宽 缝 天 线［5］等 形 式。 印 刷 单 极 子 天 线由平板单极子天线演变而成，并且由于其易于与电路集成等优点，获得了快速发展。然而由于天线的最低工作频率与天线的尺寸相关，目前扩展低频段主要的方法是增大天线物理尺寸。

为了实现现代通信系统向着大容量、多功能、超宽带的方向发展，可重构天线的概念被提出并得到了广泛的研究与发展。可重构天线的概念是在1983年由Schaubert等在其专利中首次被提出［6］，1999年美国国防部高级研究计划署组织了12家著名的大学、研究所和公司，制定实施了名为“可重构孔径”的研究计划［7］。近年来，由于通信系统的飞速发展，可重构天线的发展成为天线研究领域的一个热点，不断有新的设计方法与天线模型出现［8］。

基于以上研究，将可重构天线技术应用到超宽带天线的设计中，在不改变天线尺寸的情况下扩展天线的工作频率。以文献［4］所给出的印刷椭圆形单极子天线为原型，运用可重构天线技术扩展低频段，使天线的相对尺寸明显的降低，并研究了天线的阻带特性。设计了两个可重构超宽带天线，较重构前相比，低频都有所扩展，天线Ⅰ工作在0.36～11.5GHz，天线Ⅱ工作在0.174～10.9GHz，并且具有可重构带阻特性。

1.可重构超宽带天线设计

用HFSS仿真软件对文献［4］的天线进行仿真，结果表明，天线覆盖频率为0.42～10.6GHz，与文献中给出的仿真结果0.4～9.51GHz基本吻合，表明用HFSS软件对天线仿真的正确性，差别主要是由于仿真软件的不同引起的。所有仿真结果均是在HFSS环境下进行的。图1显示的是用HFSS仿真得出的印刷单极子椭圆天线在0.45GHz时贴片表面电流分布图，可以看出，低频段工作时，电流主要分布在馈线部分。由于天线的工作频率与电流有效长度有关［9］：当电流有效长度变长时，天线的工作频率下降；当电流有效长度变短时，天线的工作频率升高。通过以上分析可以得出，延长馈线长度可以降低天线的低频段工作频率。在此基础上，设计了两个可重构天线：天线Ⅰ的设计验证了本文所提出的频率可重构方法的可行性；在天线Ⅰ的基础上，设计了一个具有频率可重构和带阻可重构特性的超宽带天线Ⅱ。

图1 天线表面电流分布图

1.1 天线Ⅰ的设计

1.1.1 天线Ⅰ的基本结构

天线Ⅰ的基本结构如图2所示，主要结构尺寸参数如表1所示。天线采用共面波导结构，两边地之间的距离为W，介质基片的介电常数为3.48.馈线采用渐变结构，起到阻抗匹配的作用。馈线下端宽度为Wbot，对应50Ω的连接阻抗，馈线上面宽度为Wtop，对应100Ω的阻抗匹配。椭圆贴片的横轴与纵轴长度分别为2a和2b.天线Ⅰ是在文献［4］的基础上，将中心馈线延长，延长的馈线宽度依然为Wtop.为了减小当馈线延长时两边的椭圆贴片的电磁耦合，在椭圆贴片延长馈线两侧开两个矩形槽。在椭圆贴片底部加上一对微机电系统（MEMS）开关，开关尺寸为0.5mm×0.5mm.当开关断开时，天线的馈线得以延长，最低工作频率降低；当开关闭合时，天线实现超宽带特性。

图2 天线Ⅰ的基本结构

表1 天线I主要结构尺寸参数（单位：mm）

1.1.2 天线Ⅰ的工作方式以及仿真结果

当开关闭合时，天线实现超宽频段工作；当开关断开时，天线馈线变长，表面电流变长，频率降低，实现低频率的重构。天线的主要工作方式如表2所示（在HFSS仿真中，当开关闭合时，采用等大小的标准完美电导体（PEC）结构模拟连接；当开关断开时，去掉PEC结构），开关断开前后的回波损耗仿真如图3所示。

表2 天线I的主要工作方式

图3 天线Ⅰ回波损耗

由表2可以看出，开关闭合时，天线的最低工作频率为450MHz，较重构前天线的420MHz有所升高，这是由于椭圆贴片对低频也有所贡献，矩形开槽处理影响了天线的低频特性。开关断开后，天线的最低工作频率降低到360MHz，较重构前的420 MHz有所降低。天线的尺寸由开关断开前的0.21λmax×0.165λmax减小到开关断开后的0.17λmax×0.132λmax.由仿真结果可以看出：通过开关的重构，天线Ⅰ能很好地覆盖0.36～11.5GHz的工作频段。

1.2 天线Ⅱ的设计

1.2.1 天线Ⅱ的基本结构

图4 天线Ⅱ的基本结构

天线Ⅱ的基本结构如图4所示，主要结构参数如表3所示。天线Ⅱ是在天线Ⅰ的基础上延长椭圆的纵轴长度，然后用上面提出的延长馈线的方法来降低天线的最低工作频率。在馈线两侧的适当位置上放置MEMS开关，随着开关的通断，馈线不断变长，电流长度不断延长，使最低工作频率不断降低，进而实现超宽带的频率可重构。

表3 天线II的主要结构参数（单位：mm）

超宽带天线因其带宽很宽，发射功率相对较小，为避免和邻近的局域网通信协议IEEE 802.11a相干扰，所以需要加入带阻滤波。传统的带阻滤波装置是在系统前端加入带阻滤波器，但是这样会增加系统复杂度与成本。最简单直接的方法就是使超宽带天线在相应的频段内具有较大的反射系数、出现“陷波”（带阻）特性而呈现收发“钝态”［10］。目前常用的做法是在贴片上开槽［11］、载入寄生元［12］和采用分形枝节［13］等来实现带阻功能，这些方法易于控制和系统集成。本文采用在馈线部分增加一个带有开关的宽缝调谐枝节［14］，这样沿调谐枝节会产生相应长度的电流，破坏了相应频点上天线的辐射特性，从而产生阻带。通过对调谐枝节的参数扫描仿真，设计 了 在 IEEE 802.11a 通 信 协 议 （5.15～5.825 GHz）的可重构阻带。

天线Ⅱ一共具有4个开关，分别为开关A、开关B、开关C和开关D，开关A、B、C主要用来重构天线的低频段，开关D主要用来重构天线在超宽带工作时的阻带。通过调节四个开关的通断，实现频率的可重构。

1.2.2 天线Ⅱ的工作方式以及仿真结果

控制A、B、C、D四个开关的通断，重构天线的工作频率。天线重构的主要思想是延长贴片表面的电流有效长度，进而降低天线的工作频率。通过HFSS仿真表明，当开关A、D闭合时，天线的工作频段与天线加入重构思想前基本一样，最低工作频率都为305MHz.天线的主要工作方式如表4所示（A：表示开关A闭合；A—：表示开关A断开），回波损耗仿真如图5所示。

表4 天线Ⅱ的主要工作方式

由仿真结果可以看出，天线Ⅱ通过MEMS开关重构，工作频率从305MHz降低到174MHz，天线的尺寸从重构前的0.153λmax×0.23λmax减小到重构后的0.087λmax×0.116λmax，可以看出，重构后有效地减小了天线的相对尺寸。并且利用可重构天线的概念，实现了天线在174MHz～10.9GHz的工作频段，带宽比高达62.6：1，基本覆盖了0～10GHz的工作带宽。并且在超宽带工作时，具有5.1～5.95GHz的可重构带阻特性，可以实现对IEEE 8 02.11a通信协议的阻带。可重构超宽带天线在0.2GHz、1GHz、6.5GHz和10GHz的E／H 面方向图和表面电流分布图如图6所示。通过对方向图的分析可以看出，随着工作频率的升高，方向图波纹增多，这是由于当频率相对较高时，贴片表面出现的横向电流和反向电流引起的。尽管如此，天线在整个频段内仍然具有良好的全向辐射特性。通过天线表面电流分布图可以明显的看到，当天线工作在低频，如0.2GHz的时候，表面电流主要分布在馈线及其延长部分；在高频时，表面电流主要分布在馈线和椭圆形贴片的边缘上。

2.结 论

本文成功的将可重构天线技术应用到超宽带天线的设计中，通过延长馈线长度，降低天线的工作频率，并结合可重构天线技术，在馈线的两侧适当位置加入开关，扩展了天线的工作带宽。同时，为了避免与常用的局域网通信协议IEEE 802.11a相互干扰，所设计的天线能够根据需要将其频段阻断。仿真结果表明：天线的相对尺寸有很明显的减小，且在整个工作频段内能很好的保持全向性。文中讨论的可重构超宽带天线易于加工和电路集成，具有实用价值，能广泛应用于超宽带系统中。

［1］钟顺时，梁仙灵，延晓荣.超宽带平面天线技术［J］.电波科学学报，2007，22（2）：308－315.ZHONG Shunshi，LIANG Xianling，YAN Xiaorong.UWB planar antenna technology［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（2）：308－315.（in Chinese）

［2］BAI Xiaofeng，ZHONG ShunShi，LIANG Xianling.Leaf－shaped monopole antenna with extremely wide bandwidth［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2006，48（7）：1247－1250.

［3］XIA Y Q，DUAN Z G.Compact CPW－fed dual ellipses antenna for ultra－wideband system［J］.Electronics Letters，2008，44（9）：567.

［4］LIANG X L，ZHONG S S，WANG W.Elliptical planar monopole antenna with extremely wide bandwidth［J］.Electronics Letters，2006，42（8）：441－442.

［5］HOOD A Z，KARACOLAK T，TOPSAKAL E.A small antipodal vivaldi antenna for ultrawide－band applications［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2008，7：656－660.

［6］SCHAUBERT D，FARRAR F，HAYES S，et al.Frequency－agile，polarization diverse microstrip antennas and frequency scanned arrays：US，4367474［P］.1983－01－04.

［7］SMITH J K.Reconfigurable program （RECAP）.DARPA（美国国防高级研究计划署），1999.

［8］王安国，张佳杰，王 鹏，等.可重构天线的研究现状与发展趋势［J］.电波科学学报，2008，23（5）：997－1002＋1008.WANG Anguo，ZHANG Jiajie，WANG Peng，et al.Recent research and developing trends of reconfigurable antennas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（5）：997－1002＋1008.

［9］T.Al－Maznaee，H.E.Abd－El－Raouf.Design of reconfigurable patch antenna with a switchable V－slot［J］.Progress In Electromagnetics Research C，2009，6：145－158.

［10］吕文俊，朱洪波.陷波特性平面超宽带天线的研究进展［J］.电波科学学报，2009，24（4）：780－785.LV Wenjun，ZHU Hongbo.On the frequency notched planar ultra－wideband antennas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（4）：780－785.

［11］Arezou Edalati，Tayeb A.Denidni.A compact UWB antenna with dual band－notched characteristics［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2010，52（5）：1183－1186.

［12］A.M.Abbosh，M.E.Bialkowski.Design of UWB planar band－notched antenna using parasitic elements［J］.IEEE Transactions on Antenna and Propagation，2009，57（3）：796－799.

［13］Y.Song，Y.C.Jiao，T.L.Zhang，et al..Frequency notched UWB slot antenna with a fractal－shaped slot［J］.J.of Electromagn.Wave and Appl.，2009，23：321－327.

［14］Li－Na Zhang，Shun－Shi Zhong，Chen－Zhu Du，et al..Compact UWB planar monopole antenna with bandnotch function［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2009，51（8）：1908－1911.