双陷波可重构特性的蓝牙超宽带天线设计*

陆 畅，申欣欣，赵文强，张 睿，段俊萍，张斌珍

（中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

0 引言

超宽带（ultra-wideband，UWB）天线由于其低成本、低剖面、低频谱功率密度、高数据速率［1］等优点，被广泛应用于高速无线通信、便携式物联网（Internet of Things，IoT）等诸多领域［2］。但由于UWB 系统的带宽很宽，导致不可避免地与一些窄带系统存在着重叠现象，使UWB 天线容易受到这些窄带的干扰，例如WIMAX（3.3～3.6 GHz）、WLAN（5.125～5.825 GHz）、ITU（8.025～8.4 GHz）频段等。为此，有学者通过在接地面［3］、辐射贴片［4］和馈线上刻蚀线槽［5，6］，辐射贴片底部加载寄生结构［7］，安装短截线［8］等方法来实现陷波特性。Jairrath K等人通过引入一对对称的L型半波长谐振器和C 型寄生结构实现了双陷波功能［9］，Beigi P等人提出了加载超材料激励的互补开口谐振环使天线具备陷波功能［10］。在陷波结构中插入PIN 二极管［11］、MEMS开关［12］变容二极管［13，14］，能够实现陷波频段的可重构，使天线的工作更灵活。

本文提出了一种集成了蓝牙／UWB频段和双陷波可重构功能的小型化平面天线。天线由削顶圆形贴片和1／4 波长圆弧枝节组成，在圆形贴片上刻蚀的两个圆形缝隙，实现双陷波特性。天线设计在尺寸为20 mm×25 mm×1.57 mm的Rogers5880介质基板上。

1 天线的设计与分析

1.1 天线的设计过程

天线几何结构和加工实物如图1所示，表1为天线的具体尺寸。天线的设计步骤如图2 所示，天线1 是共面波导馈电的削顶圆形单极子天线，为了获得良好的阻抗带宽，对接地面进行倒角处理。在天线2 中，圆形贴片右侧加载的1／4 波长圆弧枝节，实现了蓝牙频段与UWB 频段的集成。在天线3 的圆形贴片中刻蚀2 个圆形槽，成功引入了2个陷波频带。控制2 个二极管D1，D2 的状态，能够实现2个陷波频带的独立调控。

表1 天线的具体尺寸 mm

图1 天线结构和实物

图2 天线的设计过程

不同结构的仿真结果如图3所示，可以看出，天线1 的频率响应带宽为3～12 GHz，加载了圆弧枝节后的天线2 带宽达到2.39～2.52 GHz和2.92～12 GHz。从天线3 的回波损耗可以看出，在其通带内引入2 个陷波带，分别是5.1～6 GHz和8.0～8.4 GHz，使天线3 能有效滤除WLAN 和ITU频段的干扰。

1.2 参数化分析

图4（a）为不同R1对陷波中心频率的影响，可以观察到第一陷波带的中心频率随着R1值的减小而增大，当R1＝3.9 mm时，陷波中心频率为5.12 GHz 左右；当R1减小到3.3 mm时，陷波的中心频率增大到6.1 GHz 左右。由此可见，陷波频率与圆形缝隙的有效长度成反比。在图4（b）中，第二陷波频段的中心频率，随着R2值的减小而增大，当R2＝2.6 mm时，陷波中心频率为7.8 GHz，当R2的尺寸减小2.2 mm时，陷波的中心频率增大到8.68 GHz左右。当改变其中一个陷波带的中心频率时，对另一个陷波带几乎没有影响，这表明2个陷波带是独立调控的。

图4 不同R1，R2 对陷波的频段的影响

1.3 表面电流分析

在不同频率下天线表面的电流分布，如图5 所示。可以看出，在2.4 GHz 处，圆弧形枝节上的电流最强，表明此频点处，圆弧枝节是主要辐射单元。在第一陷波带中心频率5.7 GHz和第二陷波带中心频率8.2 GHz处，电流最强的位置分别聚集在2 个圆形缝隙周围，这表明能量主要集中在缝隙结构上，并没有向空中辐射，因此降低了天线在陷波频点处的增益和辐射能力，从而实现陷波特性。

图5 天线在不同频率下的表面电流分布

2 实验结果与讨论

2.1 天线的回波损耗陷波

通过矢量网络分析仪对所提出的天线进行性能测试，在实测过程中，用铜片的有／无，来代替二极管的通／断。切换PIN二极管D1，D2的工作状态，可以改变天线在工作状态，结果如图6所示。

图6 4 种工作状态下的回波损耗

图6（a）为D1，D2都导通时，天线在蓝牙／UWB全频段工作，此时的工作带宽为2.39～2.52 GHz和2.92～12 GHz；图6（b）为D1截止，D2导通时，天线工作在单陷波（第一陷波带）状态，陷波带测试结果为5.1～6 GHz；图6（c）为对应的D1 导通，D2 截止时，测试的陷波带带宽为7.95～8.42 GHz；图6（d）为D1，D2 都截止时，天线具有双频段陷波功能，陷波带的测试结果为5.3～6.0 GHz 和8.0～8.45 GHz。经对比分析，测试结果与仿真结果存在的微小偏差，是由于加工误差、SMA 连接器损耗以及测试误差等不可避免的因素所致。

2.2 辐射方向图

天线在2.4，3.7，6.3，10 GHz处测试与仿真的辐射方向图如图7 所示。可以看出，天线表现出良好的全向辐射性能。测试与仿真结果吻合良好。

图7 天线不同频率下的仿真与测试方向图

2.3 天线增益

在双陷波状态下天线增益的仿真与测试结果如图8 所示。在2 个陷波中心频点处天线增益降到最低水平，5.7 GHz时天线增益为－11.5 dBi，8.2 GHz 时天线增值为－3 dBi，有效地证明了天线在陷波频段的滤波特性。在其余工作频段，天线的增益稳定在2～5.2 dBi之间。

图8 天线峰值增益的仿真与测试结果

2.4 本文天线与文献中同类天线的比较

表2为本文天线与同类应用天线的对比。从天线的尺寸、工作带宽、陷波带可重构以及峰值增益几个方面进行比较，可以看出，该天线具有体积小、工作带宽较宽、工作模式多、增益高等优点。

表2 本文天线与参考文献中天线的对比

3 结束语

本文设计了一种尺寸为20 mm×25 mm×1.57 mm的蓝牙／UWB天线，在辐射贴片上刻蚀2 个圆形缝隙，使天线具5.1～6 GHz和8.0～8.4 GHz双陷波特性。通过控制安装在圆形缝隙中二极管的工作状态，可以使天线选择性地滤除UWB频段中WLAN 和ITU 频段的干扰，以提供高效的UWB通信。实测与仿真结果表明，在其工作带宽内都能具有稳定的增益和辐射性能。