陷波可重构的小型化UWB天线设计与实现

王欣伟，王 超，梁 青

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121)

可重构天线具有在一个结构尺寸中实现多个天线功能的特点，在提高空间利用率的同时还能减少通信系统间的相互干扰，从而得到了广泛应用。超宽带(Ultra-Wideband, UWB)天线作为超宽带无线通信系统的主要组成部分，得到了大量研究[1-3]。在超宽带的频段内包含有诸多的窄带通信频段，这些窄带频段对UWB天线系统存在干扰[4-6]，导致无线通信系统的信噪比下降，接收灵敏度恶化，甚至造成通信中断。为解决该问题，传统的方法是通过在天线前端添加滤波器件的方式来抑制窄带信号的干扰，该方法增加了天线的体积，且设计成本较高，已经逐渐被淘汰。

相关研究发现，在天线自身结构中引入陷波结构，能够有效抑制窄带频率信号的干扰。陷波结构的生成主要包括刻蚀几何槽[7-10]、添加寄生结构[11-12]以及引入谐振枝节[13-14]等3类方法。其中，采用添加寄生结构的方法时，若需要的陷波个数较多，多个寄生结构之间产生耦合效应，影响天线自身工作性能。使用引入谐振枝节的方法，当需要的阻带频段频率较低时，谐振枝节过长，不利于天线的集成化。相对而言，应用天线表面刻蚀几何槽方法，能够在不影响天线阻抗匹配的情况下，有利于天线小型化。

研究发现，在陷波结构中引入PIN二极管开关，可以实现陷波频率的可重构。例如，通过在辐射贴片几何槽内加载PIN二极管开关[15]以及通过在辐射贴片几何槽和缺陷地内加载PIN二极管[16]等方式能够实现双陷波可重构UWB天线，但这两种方法仅能够实现两个频段的陷波，应用范围受限。

为了增加陷波可重构的频段，通过在微带馈线缝隙的中间位置加载PIN二极管开关改变缝隙的谐振特性，以实现陷波频段的可重构特性，并通过在辐射贴片几何槽内加载PIN二极管开关的方式，实现一种3陷波可重构的超宽带天线。

1 天线结构设计及陷波原理

陷波可重构天线主要由阶梯状辐射贴片、微带线馈线和矩形地板等部件组成，采用刻蚀几何缝隙的方法来实现陷波功能。

1.1 天线结构设计

天线结构示意图如图1所示。

图1 天线结构示意图

图1中，W为天线介质板的宽度，L为介质板的长度，h为介质板厚度，Lg为接地板的长度，Wf为馈线的宽度，Lf为馈线的长度，s为缝隙的间距，W1、W2和W3为3个陷波频段的缝隙宽度，L1、L2和L3为3个陷波频段的缝隙长度，W4、W5和W6为辐射贴片的宽度，L4和L5为辐射贴片长度，d和d1为C形缝隙中贴片长度。整个辐射贴片呈阶梯分布，天线输入阻抗变化缓慢，有利于展宽天线的带宽。

在天线中刻蚀的几何缝隙长度L的计算公式[17]为

(1)

式中：c表示真空光速；fnotch表示需要滤除波段的中心频率；εe表示等效介电常数，其计算表达式为

(2)

其中：εr为介质板的相对介电常数；h为介质板的厚度；w为贴片天线宽度。

1.2 陷波产生原理

在天线辐射贴片以及馈线上刻蚀几何缝隙，当缝隙产生谐振时，其两边电流流向相反，在远区场的辐射被减弱，从而能够实现陷波特性。谐波的中心频率由刻蚀的几何缝隙的长度决定，陷波带宽由几何缝隙的宽度决定，通过调节刻蚀缝隙的数量和尺寸大小，从而改变陷波的频段数、中心频率和带宽。

2 天线仿真与分析

天线的印刷基板为FR4介质，尺寸为21.0 mm×12.0 mm×1.6 mm，即天线的长度L为21.0 mm，宽度W为12.0 mm，厚度h为1.6 mm。采用ANSOFT HFSS仿真软件的参数扫描方法，分析不同结构尺寸参数对天线性能的影响。

2.1 接地板的长度参数

分析不同的接地板长度参数Lg对未加陷波的超宽带天线回波损耗S11的影响。分别取Lg为2.25 mm、3.25 mm和4.25 mm，不同尺寸Lg的回波损耗仿真结果如图2所示。可以看出，当Lg=2.25 mm时，在高频段10 GHz处回波损耗S11大于-7.5 dB。当Lg=4.25 mm时，在低频段4 GHz处回波损耗S11大于-7.5 dB。当Lg=3.25 mm时，在4 GHz至10 GHz的频带范围内回波损耗S11小于-10 dB，且较为平坦，故取天线地板长度为3.25 mm。

图2 不同Lg尺寸的回波损耗S11

2.2 缝隙尺寸对陷波频率的影响

由式(1)和式(2)可知，陷波中心频率与刻蚀缝隙的尺寸大小成反向变动关系。为了得到最佳缝隙尺寸，对天线辐射贴片上的C形几何缝隙宽度W2进行参数仿真。分别取W2为5.6 mm、6.0 mm和6.4 mm进行参数分析，不同缝隙宽度的回波损耗仿真结果如图3所示。可以看出，当缝隙宽度W2从5.6 mm增加到6.4 mm时，陷波带宽由3.72～4.16 GHz增加到3.50～4.16 GHz，W2宽度增加，陷波频段会向低频段扩展。与此同时，从4.16～10.84 GHz的频带内回波损耗S11均小于-10 dB，W2的改变对其他频带的回波损耗影响较小。

图3 不同缝隙宽度的回波损耗S11

2.3 超宽带陷波天线仿真结果

根据参数仿真扫描分析结果，得到最优的参数设置。其中，接地板长度Lg为3.25 mm，馈线宽度Wf为2.00 mm，馈线长度Lf为7.00 mm，缝隙间距s为0.20 mm，陷波缝隙宽度W1为1.00 mm、W2为6.00 mm以及W3为4.50 mm，陷波缝隙长度L1为6.00 mm、L2为8.20 mm以及L3为6.70 mm，辐射贴片宽度W4为7.20 mm、W5为8.60 mm以及W6为10.00 mm，辐射贴片长度L4为8.00 mm，L5为2.50 mm，C形缝隙中贴片长度d为2.00 mm，d1为1.30 mm。

天线回波损耗的仿真结果如图4所示。

图4 天线回波损耗的仿真结果

可以看出，在3.57～4.16 GHz、4.60～5.00 GHz和6.86～7.63 GHz等3个频段内回波损耗S11>-10 dB，在阻抗上实现了3个频段的陷波特性。

天线在3.5 GHz、6.0 GHz以及8.0 GHz的辐射方向图如图5所示。可以看出，在3.5 GHz和6.0 GHz时，方向图H面近似为一个圆，天线具有全向辐射特性；在高频段8.0 GHz时，H面辐射方向图发生轻微畸变，但仍具有全向辐射特性，满足UWB通信系统终端设备对天线全向辐射的要求。

图5 天线的辐射方向图

2.4 陷波的可重构特性

通过射频开关以实现刻蚀缝隙的可重构，从而实现陷波频率可重构。在HFSS软件中，采用集总边界条件替代PIN二极管在导通和断开时的状态。当二极管导通时，其导通电阻约为2 Ω，等效串联电感为0.7 nH，可以在仿真模型缝隙中间位置加载两个集总边界条件的贴片，将电阻和电感串联在缝隙中间。当二极管断开时，其等效电阻约为3 000 Ω，同时分布电容约为0.12 pF，可以在仿真模型缝隙中间位置加载一个集总边界条件的贴片，将电阻和电容并联在缝隙中间。

不同开关状态下电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR)仿真结果如图6所示。可以看出，当开关1、开关2和开关3都导通时，天线整体工作带宽为4.19～10.30 GHz，此时无陷波频段；当开关1和开关2断开，开关3导通时，天线整体工作带宽为3.43～10.78 GHz，此时存在3.58～4.15 GHz和4.57～4.85 GHz两个陷波频段；当开关1和开关2导通，开关3断开时，天线整体工作带宽为4.24～10.39 GHz，具有6.85～7.61 GHz频段陷波；当开关1、开关2和开关3都断开时，天线整体工作带宽为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个陷波频段。

图6 不同开关状态下的电压驻波比仿真结果

2.5 天线表面电流分布

不同陷波频率处表面电流分布情况如图7所示。可以看出，当天线分别工作在3.80 GHz、4.80 GHz和7.20 GHz频率时，天线的表面电流几种分布在缝隙边缘，且在缝隙的两边电流方向相反，电磁波能量不能有效辐射出去，从而在该频段产生陷波效果。

图7 不同陷波频率处表面电流分布

3 测试与分析

根据仿真结果加工焊接天线，天线实物图如图8所示。

图8 天线实物图

图8(a)天线为开关全断开状态，图8(b)天线为开关1和开关2断开，开关3导通状态天线，图8(c)天线为开关1和开关2导通，开关3断开状态，图8(d)天线为开关1、开关2和开关3均导通状态。4种状态的电压驻波比仿真与实测对比结果如图9所示。

图9 4种开关状态下的电压驻波比测试结果

由测试结果可以看出，陷波中心频率与仿真结果较吻合，提出的设计方法能够实现3个陷波超宽带天线的陷波频率可重构，但通带内匹配情况有所恶化，这是由于加工所用的介质板材料为FR4，介电常数不均匀会导致匹配变化。测试时引入的射频连接器以及测试线缆也会影响匹配，另外，测试时采用理想金属片代替PIN开关二极管，导致测试与仿真有所偏差。

4 结语

通过在天线辐射贴片、微带馈线上刻蚀几何缝隙，使天线产生谐振陷波频率。在刻蚀缝隙中心位置加载PIN二极管开关，通过控制二极管开关的导通和断开状态，改变刻蚀几何缝隙的结构特性，从而实现陷波频率的可重构效果，提高天线的空间利用率。测试结果表明，设计的陷波频率可重构超宽带天线，在3.41～10.84 GHz频带范围内具有3个陷波频率可重构的特性，阻抗特性以及辐射特性能够满足超宽带系统使用要求。