基于超宽带天线的陷波频段可控性分析*

刘正堂 程彦杰 马 辉

(中国洛阳电子装备试验中心 洛阳 471003)

基于超宽带天线的陷波频段可控性分析*

刘正堂 程彦杰 马 辉

(中国洛阳电子装备试验中心 洛阳 471003)

设计了一种具有双陷波特性的超宽带单极子天线,在天线中加入两个“U”形缝隙结构,分别在3.3GHz～3.6GHz和5.15GHz～5.825GHz两个频段处产生陷波,并用传输线等效模型对陷波产生的原因进行了分析。在陷波缝隙处加入三个开关结构,对陷波频段进行控制。分析了开关状态的变化对等效电路的影响,对不同开关状态的超宽带天线进行制作并测试。结果表明,天线可以在无陷波、3.5GHz单一陷波、5.5GHz单一陷波和双陷波四种工作状态之间进行转换。

超宽带天线; 双陷波; U型缝隙; 等效电路; 陷波频段可控

Class Number TN82

1 引言

无线通信在20世纪90年代的蓬勃发展,促使天线朝着小型化、宽频带、多频带以及集成化等方向发展,天线的研究也随着通信需求的改变而不断变化。作为宽频带研究的一个重要方向,超宽带UWB(Ultra-wideband)技术因其低成本、低功耗、高速率等优点,受到越来越多的关注。对于3.1GHz～10.6GHz的UWB系统,其覆盖的频带范围很宽,与5.15GHz～5.875GHz的无线局域网(WLAN)和3.4GHz～3.6GHz的全球微波互联接入(WIMAX)的干扰不可避免,尤其是在非视距环境下,UWB与WLAN的互扰会十分严重。在通信系统的天线端,解决这种干扰成本低、操作简单,具有十分重要的研究价值[1]。

近几年提出了一种解决超宽带通信干扰的新方法,即在通信中易干扰的频段处使得超宽带天线产生较大的反射系数,产生所谓的“陷波”[2]特性。这可以使得天线在陷波频段内的辐射增益很低,避免了超宽带技术与其它通信协议之间的干扰。但是当天线的工作环境发生变化,其它无线协议的干扰较小或消失时,加入的陷波频段将使得超宽带天线整体的工作频段变窄,这就造成了频率资源的浪费。如何避免频段干扰的同时,尽量提高系统的频带利用率,是陷波天线设计中的一个难题。

陷波超宽带天线有许多种结构,其中单极子天线形式最为常见。产生陷波的结构也有多种形式,例如在辐射贴片上加载缝隙结构[3～5],改变接地板的结构[6],或者在贴片上添加匹配枝节[7～8]等,使天线在特定频段内产生较大的反射系数,从而实现陷波特性。本文设计了具有双陷波特性的超宽带天线,在5.5GHz和3.5GHz两个频率处产生陷波抑制,并提出陷波频段的可控设计方法,提高了系统整体的通信效率。

2 天线结构设计

天线从本质上来说,是电磁能量的转换设备,天线上的电流分布决定了天线的辐射特性。如果需要在某一频段产生陷波阻带,就应该在合适的区域干扰电流的正常流向,破坏原有电流的分布。从电流分布以及电流对天线辐射的作用来看,在电流的密集处加入缝隙或金属支节结构,产生电流的驻波状态,可以在特定频率处产生有效的频率阻断。对于单极子超宽带天线来说,电流主要分布在馈线和贴片的边缘处。本文设计的第一个陷波频段为5GHz～6GHz,单极子超宽带天线在5.5GHz的电流分布如图1所示。

图1 5.5GHz处天线表面的电流密度分布

从图1(a)表面电流的幅度值来看,贴片的边缘和馈线附近电流最大,且电流分布较为集中,可以在这些位置进行相应的陷波结构设计;从图1(b)电流密度矢量图上看,电流主要沿着垂直于接地板方向传播,加入的陷波结构应该对电流的流向产生阻碍。所以本文在接地板上加入一个与电流流向垂直的“U”形缝隙,在5GHz～6GHz频段上产生频率的阻断效果,如图2(a)所示。

图2 单极子超宽带天线的陷波结构示意图

对于3.5GHz处的陷波结构,本文采用缩比原理进行设计。按照5GHz～6GHz的陷波结构进行相应的放大,就可以得到相似的辐射特性,设计的陷波结构如图2(b)所示。

双陷波超宽带天线的整体结构如图3所示。天线整体的尺寸为30mm×18mm×1mm,厚度h=1mm,并用微带线馈电的方式对天线进行馈电。为了保证超宽带天线通带内的辐射特性,对天线原有结构的改变应该尽可能少。天线的正面嵌入两条半波长“U”形缝隙结构,可以分别在5.5GHz和3.5GHz左右产生陷波频段。天线的背面加入两条很窄的缝隙结构,目的是构成阻抗的调节单元,抵消正面“U”形缝隙带来的阻抗变化;同时加入窄缝隙可以使得接地板与辐射贴片的底部呈现相反的趋势,减少天线的远场对频率的依赖性[9]。

图3 单极子陷波天线示意图(单位:mm)

“U”形缝隙的总长度近似为陷波频率处介质波长的一半,计算公式如式(1):

(1)

其中εe为等效介电常数,fbotched为设计的陷波频率,a2及b2的取值原理相同。

双陷波单极子天线是对原有超宽带天线的改进,超宽带天线的参数已经在图3中给出,陷波结构的关键参数取值如表1所示。

表1 陷波结构参数取值(单位:mm)

3 天线的陷波特性分析

陷波超宽带天线设计时一般在天线中加入特定的结构,如缝隙或金属支节等,这部分结构产生类似滤波器的作用,在设计的频段处产生频率阻断。对天线在不同频率处的阻抗进行计算,对不同工作状态的阻抗特点进行分析,从传输线理论方面说明陷波产生的原因。图4为双陷波超宽带天线在不同频率处的阻抗曲线。

图4 单极子双陷波天线在不同频率处的阻抗曲线

根据阻抗的变化曲线,可以得到单极子天线在不同频率处的阻抗大小,其中3.5GHz处的阻抗为3.93～j6.63Ω,5.5GHz处的阻抗为4.19～j13.5Ω。可以看出,天线在陷波频率处的阻抗实部和虚部都很接近于零。基于此,可以定性的给出加入两个半波长“U”形缝隙单极子天线的等效电路,如图5所示。

图5 单极子形式的双陷波天线等效电路

天线谐振时整体的阻抗值很小,可以认为电路出现串联谐振的阻抗特性;考虑到陷波缝隙的长度为四分之一波长,根据阻抗变换关系,两个“U”形缝隙应该等效作为LC并联谐振电路进行分析,并且LC电路与天线回路相距四分之一波长,如图5所示。当天线工作在陷波频率3.5GHz或5.5GHz处时,LC电路发生并联谐振状态。根据微波传输线理论,经过四分之一波长阻抗变化后,天线回路中产生短路状态,天线整体的阻抗达到最小值。阻抗变化公式[10]如下:

(2)

(3)

其中,Z(d)为对应位置d的阻抗,β为相移常数,Γ(d)为对应位置的回波损耗。对应d=λ/4时,Z(λ/4)=Z02/ZL。即当在陷波频率处发生并联谐振时ZL=∞,经过四分之一波长支节变化到天线回路中为短路,天线在该频率处近似发生全发射,即达到了陷波的目的。

4 陷波频段可控性设计与分析

对陷波频段进行可控设计时,开关作为控制元件,其性能的好坏对能否有效实现可控设计关系很大。开关元件需要满足以下几个条件:开关的尺寸要小;开关的适用频带要宽;开关要具有很高的隔离度和很低的插入损耗。本文采用文献[11～12]介绍的悬臂梁式MEMS开关的结构,对开关的插入损耗和隔离度进行仿真,验证开关的相关特性。悬臂式RF-MEMS开关的结构如图6所示。

图6 悬臂梁式MEMS开关的结构示意图

开关的底部为硅材料组成的介质基板,基板上部为由金属和缝隙构成的共面波导结构,开关的上电极是由金(Au)材料构成的导电薄膜,下电极上覆盖氮化硅材料,开关的尺寸为200μm×400μm。射频信号通过共面波导馈电的方式接入。当不受外力时开关呈现开路状态,信号不能通过;当受到静电力的吸引时,开关上部的薄膜结构向下弯曲,信号沿着薄膜组成的悬臂梁传导到射频输入端。

为了检验MEMS开关在不同频率处的隔离度和插入损耗,对开关加入激励电压前后的回波损耗进行测试,其仿真结果如图7所示。从图中可以看出,开关未加激励电压时,MEMS开关处于开路状态,此时3GHz～z10GHz频段内开关的双端口回波损耗S12均大于-1.5dB,说明开关的隔离度效果良好;当开关加入激励电压后,MEMS开关处于闭合状态,在3GHz～10GHz频段内开关的双端口回波损耗S12均小于-13dB,说明开关的插入损耗很小,满足可控开关的要求。因为RF-MEMS开关的实际制作有一定的复杂度,需要特定的设备和制作环境,限于实验室条件,本文采用开关的等效模型代替开关进行相应的仿真或制作。

陷波频段的产生,主要是通过在天线的电流密集处加入特定的金属支节或缝隙结构,干扰电流的正常辐射,达到频率的阻断效果。如果要实现陷波频段的变化,就应该对加入陷波结构进行设计。该陷波结构为两个半波长“U”形缝隙,当天线工作在陷波频率3.5GHz或5.5GHz处时,在“U”形缝隙的边缘处产生电流的驻波状态。从电流分布角度来说,开关的位置应该位于缝隙上。从陷波原理等效电路来看,天线工作在陷波频率3.5GHz或5.5GHz时,缝隙结构等效在天线回路中并联LC谐振电路,并且天线中发生全反射。加入开关结构后,可以利用开关状态的变化,控制陷波频段的产生。

图8 可控双陷波天线示意图

图9 天线工作在3.5GHz的等效电路

图10 天线工作在5.5GHz的等效电路

图8表示的是加入三个开关结构的单极子双陷波天线示意图。开关的位置如图所示,开关1位于缝隙1的中间位置,开关2、3对称分布在缝隙2的两边,并且间距8mm。加入开关后的天线等效电路如图9和图10所示。

图9表示的是双陷波天线工作在5.5GHz时的等效电路示意图。当开关1与开关2、3断开时,天线在5.5GHz产生陷波效应,如图9(a)所示。“U”形缝隙相当于在天线回路中并联LC电路,谐振时支节呈现开路状态;经过四分之一波长支节阻抗变换后,等效在天线回路中加入短路线。输入的射频信号在“U”形缝隙处发生全反射,即形成陷波频段。当开关1闭合后,“U”形缝隙被直接短路到天线回路中,如图9(b)所示。此时LC并联谐振呈现开路状态,支节的阻抗变换作用消失,天线在5.5GHz恢复正常工作。图10表示的是双陷波天线工作在3.5GHz时的等效电路示意图,可以按照相似的原理进行分析。

为了检验加入开关后天线特性的变化,制作出天线实物进行实际测试。采用开路缝隙或短路支节结构来代替开关的断开或闭合状态,得到天线的三种不同状态如图11所示。

图11 单极子陷波可控天线实物图

图11中天线(a)在上方的U形缝隙中加入两个短路支节,该天线可以在5.5GHz左右产生陷波频段;天线(b)在下方的U形缝隙中加入一个短路支节,该天线可以在3.5GHz左右产生陷波频段;天线(c)的两个U形缝隙中均加入短路支节,该天线缝隙的陷波作用消失,恢复原有的超宽带特性,在3.1GHz～10.6GHz内没有陷波频段。这三种不同形式天线的回波损耗测试曲线如图12所示。

图12 陷波可控天线的回波损耗测试曲线

从图12中可以看出,天线a整体的工作频带为2.95GHz～10.9GHz,并且在4.8GHz～6.2GHz范围内产生陷波频段,阻带范围比预期的阻带范围略大,误差可能是由制作精度造成的。天线b整体的工作频带为2.82GHz～10.8GHz,并且存在阻带3.14GHz～4.15GHz,与设计的阻带范围基本吻合。天线c呈现超宽带的频带范围,整体工作频带覆盖3.05GHz～11GHz。由此可以得到陷波可控天线的不同工作带宽,如表2所示。

表2 不同开关状态的单极子天线及其带宽特性

从表2中带宽数据可以证明,双陷波天线加入开关结构后,通过开关的状态变化,可以实现对两个阻带的控制。双陷波超宽带天线的工作带宽可以在无陷波、3.5GHz单一陷波、5.5GHz单一陷波和双陷波之间进行转换,达到了可控陷波的目的。

5 结语

本文在超宽带天线的陷波频段的基础上设计了一种双陷波超宽带单极子天线,通过在UWB天线上引入两个缝隙结构,分别在3.3GHz～3.6GHz和5.15GHz～5.825GHz两个频段处产生陷波。采用传输线理论对陷波产生的原因进行了阐述。在下方的“U”形缝隙中间位置以及两个“U”形缝隙的相邻位置加入三个开关。分析了开关状态的变化对等效电路的影响,对不同开关状态的超宽带天线进行制作并测试。经过测试结果表明,天线可以在无陷波、3.5GHz单一陷波、5.5GHz单一陷波和双陷波四种工作状态之间进行转换,达到了陷波频段可控的目的。

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Reconfiguration Analysis for Notched Bands Based on Ultra-wideband Antenna

LIU Zhengtang CHENG Yanjie MA Hui

(Luoyang Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471003)

A novel planar ultra-wideband antenna with dual band-notched characteristics is proposed. Two U-shaped slots are embedded into the radiating patch, to obtain the notched bands at frequency of 3.5GHz and 5.5GHz, and the cause of notched band is analyzed with the transmission line model theory. Three switches are embedded into the notched slot to reconfigure the notched band. The influence from the states of the switches changed has been analyzed according to equivalent circuits evolving from the transition-line theory. The measured results show that the UWB antennas have the ability to transition within the four working states which comprise no notched band, 3.5GHz single notched band, 5.5GHz single notched band and both notched bands, providing clear evidence for the achievement of the band-notched characteristics reconfiguration.

ultra-wideband antenna, dual notched bands, U-shaped slot, equivalent electro circuits, reconfiguration for notched bands

2014年5月5日,

2014年6月16日 作者简介:刘正堂,男,硕士,工程师,研究方向:电子对抗。程彦杰,男,硕士,工程师,研究方向:雷达对抗与仿真。马辉,男,硕士,工程师,研究方向:通信对抗。

TN82

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.017