漸變傳輸線及電磁縫隙結(jié)構(gòu)的超寬帶天線設(shè)計(jì)

張功國(guó)，田海燕

(重慶郵電大學(xué)重慶信科設(shè)計(jì)有限公司，重慶400065)

0 引言

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，天線作為系統(tǒng)接收與發(fā)射信號(hào)的重要器件，天線小型化和寬帶化的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)［1－3］。2002 年 FCC(federal communications commission)把3.1～10.6 GHz作為 UWB(ultra－wide band)通信頻段提出以來(lái)［4］，研究人員提出并設(shè)計(jì)了各式各樣的UWB天線［5－12］，這些天線大多數(shù)都采用漸變式的輻射片設(shè)計(jì)，由于該方法設(shè)計(jì)的天線具有價(jià)格低、體積小、易集成等優(yōu)點(diǎn)，故有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其在無(wú)線通信中能夠得到廣泛的應(yīng)用。

較早期的UWB天線采用開環(huán)諧振器［13］以及匹配枝節(jié)電路［14］等方式提升天線帶寬。但此種設(shè)計(jì)不僅增加了終端尺寸，也提升了電路損耗。近年來(lái)，加載 U 形槽［15］、漸變槽線［16］、分型結(jié)構(gòu)［17］等技術(shù)被應(yīng)用于UWB天線設(shè)計(jì)。但這些類型的UWB天線加工容錯(cuò)性差、抗干擾能力低、電磁兼容能力弱以及尺寸縮小不明顯，這些缺點(diǎn)限制了其在終端中的應(yīng)用。表1給出了近年來(lái)一些UWB天線的設(shè)計(jì)尺寸。

表1 一些已經(jīng)發(fā)表論文里超寬帶天線及對(duì)應(yīng)的尺寸Tab.1 Dimensions of some of the earlier published antennas in comparison to the proposed antenna

本文中，天線采用非均勻漸變傳輸線(nonuniform transmission line，NTL)的平面網(wǎng)狀扇形電磁縫隙(meshed－planar fan electromagnetic bandgap，MPFEBG)結(jié)構(gòu)。輻射片是半徑為14 mm的90°扇形貼片，介質(zhì)厚度為1 mm，故天線的整體尺寸為0.25π×142×1 mm3。參照表1，該天線尺寸縮小明顯。仿真及測(cè)試結(jié)果顯示，該天線電磁特性優(yōu)良，能夠滿足超寬帶系統(tǒng)需求。

1 NTL MP-FEBG結(jié)構(gòu)

1.1 NTL 結(jié)構(gòu)理論

阻抗匹配元件在微波系統(tǒng)中用得較多。匹配的實(shí)質(zhì)就是設(shè)法在終端負(fù)載附近產(chǎn)生新的反射波，使它剛好和負(fù)載引起的反射波等幅反相，彼此抵消，從而達(dá)到匹配傳輸?shù)哪康模?8］。為了使饋源與天線自身特征阻抗更好匹配，達(dá)到增加工作帶寬、提高輻射特性的目的，本文天線采取指數(shù)漸變的非均勻傳輸線。圖1給出了阻抗?jié)u變線匹配及其等效電路示意圖。

圖1 阻抗?jié)u變線匹配段和等效電路Fig.1 Equivalent circuit elements of the NTL

對(duì)于圖1a所示的漸變線，特征阻抗從Z=0處的Z0漸變至Z=l處的Zl。根據(jù)小反射理論，將其看成由長(zhǎng)度為Δz的許多增量節(jié)組成，相鄰2個(gè)增量節(jié)的阻抗增量為ΔZ(z)，如圖1b所示。由文獻(xiàn)［18］可知，對(duì)全部分反射系數(shù)和他們的相位移求和。Z=0處總的反射系數(shù)為

非均勻傳輸線為漸變傳輸線的一種，其等效電路如圖2所示。電流與電壓頻域方程可表示為

特征阻抗為［18］

圖2 NTL等效傳輸電路圖Fig.2 Equivalent circuit elements of the transmission line

1.2 EBG結(jié)構(gòu)理論

EBG結(jié)構(gòu)，在電磁傳輸場(chǎng)和天線領(lǐng)域的研究正方興未艾。其底層為整個(gè)金屬板;中間層由若干個(gè)具有電磁縫隙結(jié)構(gòu)的矩形金屬片排列組成;頂層網(wǎng)狀金屬貼片由若干條貼片垂直交叉組成。網(wǎng)狀金屬貼片與矩形金屬片通過導(dǎo)電過孔連接。平面網(wǎng)狀電磁縫隙結(jié)構(gòu)在降低電磁場(chǎng)干擾、提升微波器件隔離度方面作用突出。文獻(xiàn)［19］設(shè)計(jì)的電磁縫隙結(jié)構(gòu)單元如圖3所示。

圖3中，高度為t1，t2的介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)分別為εr1，εr2。其特征阻抗可表示為

(5)式中:η0為自由空間的波阻抗(377 Ω);h為介質(zhì)厚度;d為兩貼片之間的距離;c為光在真空中的傳播速度;ω為諧振頻率;εr，eff為等效相對(duì)介電常數(shù)，其中，

MP－EBG有效的相位常數(shù)kz可以表示為［20］

圖3 MP－EBG單元與等效傳輸線模型Fig.3 .MP－EBG structure and transmission－line model

2 NTL MP-FEBG結(jié)構(gòu)天線

綜上所述，將指數(shù)漸變非均勻傳輸線與平面電磁縫隙結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出的基于漸變傳輸線的扇形電磁縫隙結(jié)構(gòu)的超寬帶天線(NTL MP－FEBG UWB antenna)如圖4所示。

下面給出NTL MP－EBG的電路結(jié)構(gòu)原理分析方程。

(8)－(10)式中:α，β，γ，R，w為圖4 中所示;n 是扇形輻射片的次序;r＇，r″分別是相應(yīng)弧形輻射片內(nèi)外半徑;r*為最小輻射片半徑。由文獻(xiàn)［19］，此結(jié)構(gòu)中反射系數(shù) Γin與 C1，d，Z0，L1，Y 可表示為

圖4 NTL MP－FEBG 結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Unit cell of the MP－FEBG structure

NTL傳輸線長(zhǎng)度與Z0點(diǎn)反射系數(shù)關(guān)系為

(11)式和(12)式中:參數(shù)x和q(s)的意義及推導(dǎo)過程參見文獻(xiàn)［19］第135－147頁(yè);NTL線長(zhǎng)l與反射系數(shù)Γin之間成反比，增加線長(zhǎng)l可以適當(dāng)降低反射，增強(qiáng)天線輻射特性，如圖5所示。圖5中，隨著線長(zhǎng)l的增加，天線回波損耗S11有所降低;另一方面，線長(zhǎng)l的增加容易引起電容和天線尺寸的增大，在實(shí)際工程中需要酌情考慮。

圖5 NTL線長(zhǎng)l與回波損耗S11的關(guān)系Fig.5 Returns loss for different length l of NTL

圖4c與圖3a對(duì)比可得，平行交叉網(wǎng)狀分布的頂層兩細(xì)貼片之間的距離d為

將圖4中導(dǎo)電過孔等效為電路電感，由文獻(xiàn)［21］可知

電路電容

綜上可知，平面雙層電磁結(jié)構(gòu)的等效電路導(dǎo)納可以表示為

(14)式中，η0為真空中的波阻抗，其值為377 Ω。所以，結(jié)合(7)式，NTL MP－FEBG結(jié)構(gòu)有效的相位常數(shù)kz可以表示為

對(duì)比(7)式與(19)式，EBG結(jié)構(gòu)有效相位常數(shù)的影響因素從矩形結(jié)構(gòu)變?yōu)榱薋EBG的扇形結(jié)構(gòu)。扇形天線依據(jù)自身阻抗特性漸變的特點(diǎn)，可以被應(yīng)用于超寬帶天線設(shè)計(jì)中。

將扇形天線與電磁縫隙結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在增加天線工作頻段、減小天線尺寸以及提高天線抗干擾能力中作用明顯，圖6給出了FEBG與EBG結(jié)構(gòu)天線的回波損耗。圖6中，實(shí)線為FEBG結(jié)構(gòu)天線回波損耗S11，其值在工作頻段為3.20～17.52 GHz都小于－10 dB，與EBG結(jié)構(gòu)相比，帶寬與輻射特性性能有較為明顯的改善。

圖6 FEBG與EBG結(jié)構(gòu)天線回波損耗Fig.6 Returns loss for FEBG and EBG

3 天線仿真與測(cè)量結(jié)果分析

將NTL與MP－FEBG相結(jié)合，一方面可以使饋源與超寬帶天線更加匹配;另一方面，依據(jù)MP－FEBG自身的電磁以及小型化的特性，可提高天線抗干擾性能、減小天線尺寸。表2為不同NTL MP－FEBG天線的工作頻段及相對(duì)帶寬。所有天線均采用50 Ω微帶饋線，扇形輻射片厚度為35 μm的金屬片，內(nèi)外半徑分別采用5.6 mm，14.0 mm;介質(zhì)損耗角正切值為0.02;相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4_epoxy;α，γ 和R 參數(shù)值分別為3°，30°和0.5 mm。

表2 不同NTL MP－FEBG天線的工作頻段Tab.2 Antenna bandwidth with different NTL MP－FEBG

根據(jù)FCC對(duì)超寬帶系統(tǒng)工作頻段的要求，結(jié)合圖4，本文天線采用基于漸變傳輸線的扇形電磁縫隙結(jié)構(gòu)，依據(jù)表2中天線7的結(jié)構(gòu)模型對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、分析和調(diào)整，得到天線具體參數(shù)數(shù)值如表3所示。

表3 天線具體參數(shù)值Tab.3 Parameters of the antenna

結(jié)合圖4與表3，對(duì)天線模型進(jìn)行加工，如圖7所示。

圖7 天線實(shí)物照片F(xiàn)ig.7 Photograph of the antenna array prototypeh

對(duì)天線模型進(jìn)行仿真分析，并且對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖8—圖12所示。

圖8為優(yōu)化后表2中天線S11的仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比，在3.10～10.06 GHz的頻段，天線參數(shù)S11基本保持一致，高頻段有一定的差異。這主要是由于天線加工過程中的誤差，以及高頻電磁波波長(zhǎng)較短，容易受到外界干擾引起的。

圖8 天線S11仿真與測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.8 Simulation results of the return loss

圖9中，虛線為天線駐波比(voltage standing wave ratio，VSWR)，實(shí)線為天線增益。在2～8 GHz頻段，VSWR小于3.5，增益大于1.6 dB，能滿足超寬帶系統(tǒng)通信要求。

圖9 天線增益與駐波比Fig.9 Simulation results of the gain and VSWR of the antenna

超寬帶系統(tǒng)要求天線在寬頻范圍內(nèi)的輻射特性基本保持一致，本設(shè)計(jì)中天線輻射圖如圖10所示。在4～10 GHz，天線輻射特性有一定的變化，但其主瓣與副瓣方向基本一致，能夠滿足通信系統(tǒng)要求。

圖10 天線輻射圖Fig.10 Simulation radiation patterns for the proposed antenna

超寬帶系統(tǒng)由于工作頻段較寬，容易受到其它系統(tǒng)的干擾，所以，對(duì)天線的抗干擾特性以及電磁波群時(shí)延有較高的要求。圖11和圖12分別為本文設(shè)計(jì)的2個(gè)相同天線在正對(duì)面相距10 cm的條件下，測(cè)得兩天線間的隔離度S21與群時(shí)延的曲線。在2～20 GHz，天線S21小于 －20 dB，群時(shí)延基本在 ±1 ns，能滿足系統(tǒng)要求。

圖11 天線S21曲線Fig.11 Measured magnitude of transfer function

圖12 天線群時(shí)延Fig.12 Measured group delay

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于NTL MP－FEBG結(jié)構(gòu)的超寬帶天線。結(jié)合NTL與EBG結(jié)構(gòu)理論，分析了天線回波特性，設(shè)計(jì)、制作并測(cè)量了該天線，且與常規(guī)超寬帶天線相比，該天線具有尺寸小、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)以及輻射特性優(yōu)良等特點(diǎn)，滿足當(dāng)今超寬帶移動(dòng)終端物理尺寸小、電子器件密集、跳頻變頻等通信需求，適用于超寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)。

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