双频陷波可调的超宽带天线

徐 琼，范光程，胡延文，严仲明，王 豫

(西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 611756)

0 引言

由于较好的阻抗匹配、全向的辐射特性及易加工等特点，超宽带天线备受关注。自2002年美国联邦通信委员会(FCC)定义3.1～10.6 GHz频段为民用通信以来[1]，超宽带通信系统被广泛研究。但由于窄带通信系统占用了超宽带部分频段，对超宽带通信系统产生极大的干扰，因此，提出了陷波技术，如在天线上刻蚀U型缝隙[2]、V型缝隙[3]、开口谐振环(SRR)缝隙[4]、电谐振器(ELC)缝隙[5]及利用缺陷接地结构(DGS)[6]等。而实际窄带不一定与所设计的陷波频带相符，或实际不存在这些窄带通信的干扰，这都导致不能充分利用超宽带频段。为了满足多模无线通信和认知无线电应用的需求，有必要改变天线的工作模式。因此，需要在陷波超宽带天线中引入可重构技术。通常利用射频微机电系统(MEMS)开关[7]、PIN二极管[8]及可变电容等均可实现天线的可重构技术。

本文提出了一种双频陷波可调谐的超宽带天线。在接地板上刻蚀“工”字型缝隙拓宽了天线带宽，得到超宽带天线；在辐射贴片上加载2个“C”型缝隙，使超宽带天线拥有在全球微波互联接入(Wimax)、X波段(X-band)频段的双频陷波特性。同时，为了满足天线在实际通信中的需求，在辐射贴片上引入可变电容，实现了天线高频陷波频率在无线局域网(WLAN)、C波段(C-band)的可调谐以及天线低陷波频段在WLAN、电信长期演进(LTE)、通用移动电信系统(UMTS)之间的可调谐。最终，实验结果与仿真结果相符。

1 天线设计

1.1 单频与双频陷波超宽带天线的设计

超宽带天线由一个带有“工”字型缝隙的方形接地板、阻抗为50 Ω的微带馈线及圆形辐射贴片组成，其实物图如图1(a)、(b)所示。通过在辐射贴片上刻蚀第一个“C”型缝隙，实现了天线在7.2～7.6 GHz频段的陷波特性，此单频陷波超宽带天线的正面实物图如图1(c)所示。同样，为了避免3.3～3.6 GHz频段对超宽带通信系统产生电磁干扰，在单频陷波超宽带天线的基础上刻蚀第二个“C”型缝隙，得到双频陷波超宽带天线，该双频陷波超宽带天线的正面实物图如图1(d)所示。陷波频率为

(1)

式中：c=3×108m/s为光速；εr为介质基底的相对介电常数；L为缝隙的总长度。本文的2个缝隙长度最初值均由式(1)计算得出。

图1 3种天线的实物图

1.2 双频陷波可调超宽带天线的设计

图2为双频陷波可调超宽带天线的结构尺寸图。天线的整体尺寸为35 mm×38 mm，FR4介质板的介电常数为4.3，厚为1.6 mm，介质损耗为0.025。如图2(a)、(b)所示，电容C1、C2分别横跨在缝隙中心处。其中，C1被加在靠近馈线的小缝隙上，C2被加在另一个大缝隙上。通过改变电容值，调节陷波频带以适应实际通信需求。天线的实际尺寸如图2(a)、(d)、(e)所示。

图2 双频陷波可调超宽带天线的结构尺寸图

2 仿真及其测量结果

2.1 单频和双频陷波超宽带天线结果

为了分析天线的性能，利用安捷伦矢量网络分析仪(Agilent E8364A)测量天线的回波损耗。图3为超宽带天线回波损耗的仿真与实测对比图。其中，仿真得到的超宽带天线工作频段为2.75～11.69 GHz，实测结果为3.10～11.95 GHz。由于天线加工精度及天线仿真与实验时介质板的介电常数存在误差，实验与仿真结果存在偏差。

图3 超宽带天线的仿真与实测对比图

为了实现天线能在Wimax频段产生阻带，利用式(1)设计并优化了缝隙长度L1尺寸，L1=13.1 mm。图4为单频陷波超宽带天线的回波损耗仿真与实测对比结果。实验结果表明，阻带的频段为3.29～3.84 GHz，覆盖了Wimax频段。

图4 单频陷波超宽带天线的仿真与实测对比图

基于单频陷波超宽带天线的设计，通过加载第二个半波长“C”型缝隙，实现了双频陷波超宽带天线，其缝隙长度L2的优化设计值为27.8 mm。图5为仿真与实测的回波损耗对比结果。实测的双频阻带频段分别为3.33～4.09 GHz和6.88～7.98 GHz。

图5 双频陷波超宽带天线仿真与实测对比图

图6为天线在阻带中心频率的表面电流分布。由图6(a)可知，电流主要分布在远离馈线的大缝隙上。由图6(b)可知，电流主要分布在靠近馈线的小缝隙上,这说明天线电流分布受阻带频率对应缝隙的影响，改变对应缝隙的等效参数能有效地控制阻带中心频率。

图6 双频陷波超宽带天线的电流分布图

2.2 双频陷波可调超宽带天线结果

将电容C1加在靠近馈线的小缝隙对称中心上，而远离馈线的大缝隙对称中心上不加电容，带有C1的天线结构图如图2(a)所示。图7为在不同C1下，天线回波损耗的仿真对比图。由图可知，随着C1的增加，高频阻带的中心频率逐渐向低频移动。C1对低频阻带基本不产生影响，这说明加载C1只影响高频阻带的频率。因为C1加载在小缝隙的对称中心上，辐射贴片上刻蚀小缝隙是产生高频阻带的主要原因，所以，C1只影响该天线的高频阻带。当C1分别为0.3 pF、0.4 pF、0.5 pF时，高频阻带的中心频率分别为5.5 GHz、5.2 GHz、4.85 GHz，其回波损耗的最大值分别为-2.13 dB、-1.93 dB、-1.75 dB。表1为该双频陷波超宽带天线通过调节C1得到的3种模式。即通过调节C1，天线能选择性地避免在WLAN(5.47～5.725 GHz), WLAN(5.15～5.35 GHz)以及C-band(4.5～4.9 GHz)3个窄带中受到电磁干扰，最终满足实际通信需求。图8为不同C1下天线回波损耗的实测结果对比图。由图可知，高频阻带的中心频率分别是5.62 GHz、5.22 GHz、4.96 GHz。

模式固定频率/ GHz可调频率/ GHz模式1 (C1=0.3 pF)3.5(Wimax)5.50(WLAN)模式2 (C1=0.4 pF)3.5(Wimax)5.20(WLAN)模式3 (C1=0.5 pF)3.5(Wimax)4.85 (C-band)

图8 不同C1值下天线回波损耗的实测对比图

将C2加在远离馈线的大缝隙对称中心上，而靠近馈线的小缝隙对称中心上不加电容，图2(b)为加载电容C2的天线结构示意图。图9为不同C2值下双频陷波超宽带天线回波损耗的仿真对比图。随着C2逐渐减小，低频阻带的中心频率逐渐向高频移动，且高频阻带中心频率保持不变。当C2分别为1 pF、1.2 pF、1.5 pF时，低频阻带的中心频率分别为2.45 GHz、2.33 GHz、2.18 GHz，回波损耗的最大值分别为-1.98 dB、-1.72 dB、-1.46 dB。表2为该双频陷波超宽带天线通过改变C2调节低频阻带的3种模式。通过调节C2，使天线选择性地在WLAN-2450、LTE-2300或UMTS-2100频段不工作。图10为不同C2下天线回波损耗的实测结果对比图。由图可知，低频阻带的中心频率分别为2.31 GHz、2.17 GHz、2.02 GHz。实验结果与仿真结果相吻合。

图9 不同C2下天线回波损耗的仿真对比图

模式固定频率/ GHz可调频率/ GHz模式1 (C2=1.0 pF)7.3(X-band)2.45(WLAN)模式2 (C2=1.2 pF)7.3(X-band)2.33(LTE-2300)模式3 (C2=1.5 pF)7.3(X-band)2.18(UMTS-2100)

图10 不同的C2值下天线回波损耗的实测对比图

图11为搭建的天线测试平台。图12为双频陷波超宽带天线的增益方向图。该天线在2 GHz、4 GHz、6 GHz、9 GHz的最大增益分别为0.96 dB、1.74 dB、3.67 dB、4.04 dB。天线具有较好的全向辐射特性。

图11 天线测试平台

图12 实测的天线增益方向图

3 结束语

本文提出了一种双频陷波可调的超宽带天线。刻蚀的“C”型缝隙使超宽带天线拥有Wimax(3.3～3.6 GHz)与X-band(7.2～7.6 GHz)的双频陷波特性。天线的可调谐功能是通过在两缝隙上各自加载可变电容实现。通过单独改变电容C1值，天线的陷波特性可以在WLAN(5.47～5.725 GHz), WLAN(5.15～5.35 GHz)以及C-band(4.5～4.9 GHz)3个模式间切换。同理，通过单独改变另一个缝隙上电容C2的值，可实现人为选择阻带以避免电磁干扰，使天线不工作在WLAN-2450、LTE-2300或UMTS-2100频段。所设计的天线具有较好的全向辐射特性，满足天线在通信上的实用性。