一種應(yīng)用于同時同頻全雙工陣列的UWB天線單元

易卿武，申建華

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

超寬帶(Ultra-wideband,UWB)技術(shù)最早出現(xiàn)在美國軍用領(lǐng)域，2002年4月美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)解除了UWB技術(shù)的民用許可限制，從此UWB技術(shù)得到快速普及和發(fā)展。同時FCC為UWB分配了3.1～10.6 GHz的頻譜。我國UWB事業(yè)的發(fā)展起步較晚，但是受到國家的高度重視，2001年9月初，我國發(fā)布的“十五”國家“863”計劃通信技術(shù)主題研究項目中，首次將“超寬帶無線通信技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)”作為無線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究內(nèi)容，顯示了國家對UWB發(fā)展的重視。

超寬帶通信系統(tǒng)中，超寬帶天線扮演著重要角色。迄今，基于超寬帶的潛在應(yīng)用和發(fā)展已提出并研究了一系列超寬帶天線單元及陣列。作為無線通信的中小功率應(yīng)用場景，這類天線以微波介質(zhì)基板為襯底的實現(xiàn)方式(如微帶線、共面波導(dǎo))展開研究的居多。文獻[1]中，作者結(jié)合醫(yī)療健康方面的應(yīng)用背景，討論了低吸收率的超寬帶天線特性及其設(shè)計問題。文獻[2]結(jié)合近年來太赫茲的發(fā)展趨勢，討論了一種橢圓形輪廓的超寬帶單極子天線，就其超寬帶天線的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，基于單極子工作原理的超寬帶天線及其拓展結(jié)構(gòu)得到廣泛關(guān)注。文獻[3]中討論了三角形結(jié)構(gòu)的單極子。文獻[4]研究了花瓣形單極子結(jié)構(gòu)，使其工程設(shè)計更具藝術(shù)特色。文獻[5]對叉形結(jié)構(gòu)的單極子進行了分析，其他結(jié)構(gòu)如F形[6]、貓耳形[7]以及一些更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)如分形等也得到研究[8-10]。除了單極子的實現(xiàn)方式外，研究表明，槽天線也是一種能實現(xiàn)超寬帶輻射工作的重要結(jié)構(gòu)[11-13]。文獻[14-15]對平面超寬帶天線及其陷波特性的設(shè)計等進行了綜述?？傮w而言，這類超寬帶天線是邊射式的，而在端射式中，Vavaldi天線是典型代表[16-18]。在UHF通信領(lǐng)域中，也可采用平面超寬帶結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更優(yōu)良的工作帶寬性能[19]。

對超寬帶天線而言，在滿足工作性能的同時，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，這樣不僅可以降低成本，也使其工作于更魯棒狀態(tài)。本文討論了一種基于有限地共面波導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)超寬帶輻射的槽天線，具有結(jié)構(gòu)簡單、剖面低、帶寬大等特點。該天線可以作為基本輻射單元，通過進一步集成應(yīng)用于同時同頻全雙工陣列中。原型樣機測試表明，在2.55～26 GHz范圍內(nèi)的駐波比小于2，且在8～18 GHz范圍內(nèi)測得的方向圖具有較好的一致性。此外，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，表明該天線結(jié)構(gòu)及其設(shè)計的有效性。

1 天線結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1所示為所討論的超寬帶槽天線版圖(未示意PCB基板)，其結(jié)構(gòu)為：由一條寬度為wg，外半徑為ro的環(huán)狀導(dǎo)帶及一段總寬度為w，中間距為wf+2g的對稱導(dǎo)帶構(gòu)成有限地寬度的共面波導(dǎo)金屬地，而所述總寬度為w的對稱導(dǎo)帶與其中間寬度為wf的導(dǎo)帶一起構(gòu)成有限地共面波導(dǎo)。中間寬度為wf的導(dǎo)帶末端加載一個半徑為ri的圓形貼片，其中心與半徑為ro的環(huán)狀導(dǎo)帶中心距離為d，而環(huán)狀導(dǎo)帶中心到天線的激勵端口距離為h。

該結(jié)構(gòu)背面無金屬，電磁波會形成正反面雙向輻射，但通過在背面適當(dāng)位置加載反射面可形成單向輻射。本文側(cè)重對其工作原理及結(jié)構(gòu)的有效性進行分析與驗證，故未引入反射板，也未就目前報道較多的陷波問題展開討論，但依據(jù)文獻[12]的思想，可實現(xiàn)陷波功能。

圖1 超寬帶槽天線版圖Fig.1 UWB Slot antenna layout

1.2 工作原理

盡管單極子或者槽天線的工作原理簡單，但對具體的天線結(jié)構(gòu)來說，其工作原理的細節(jié)層面也存在差異，且目前絕大部分超寬帶天線的報道中，很少對其工作原理進行討論。本文為便于描述，基于圖1將該天線細分為4個子區(qū)域，以虛線示意并分別標注為區(qū)域，，?，。

首先，來自于激勵端口的信號導(dǎo)行在有限地共面波導(dǎo)上，即圖中所示區(qū)域。此時，電磁場束縛于有限地共面波導(dǎo)中，其電力線自中間導(dǎo)帶指向兩邊地面，為50 Ω傳輸線狀態(tài)。經(jīng)過區(qū)域后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變?yōu)橛邢薜夭劬€，如圖中區(qū)域，且其槽寬由共面波導(dǎo)間的槽轉(zhuǎn)化為變寬度槽。由槽線特性可知，其特性阻抗也由共面波導(dǎo)的50 Ω迅速增大，槽寬變大越激烈，特性阻抗的增大也越明顯，隨后在區(qū)域?中，繼續(xù)延續(xù)這種增加，一直到區(qū)域后，槽寬達到最大寬度，而此時其相應(yīng)的特性阻抗也增加到與自由空間的波阻抗相對應(yīng)。通過這個過程，完成從共面波導(dǎo)的50 Ω傳輸線到自由空間之間的阻抗變化關(guān)系，即阻抗匹配過程。

其次，作為天線而言，除了阻抗匹配外，還有另一個重要過程，即時變電磁能量的輻射過程。對本研究結(jié)構(gòu)而言，在區(qū)域中，其槽寬最大，而當(dāng)槽寬相應(yīng)于四分之一波導(dǎo)波長時，即構(gòu)成單極子輻射原理。因而，由于本結(jié)構(gòu)中區(qū)域的槽寬最大，對應(yīng)于最低頻段的輻射，而在區(qū)域?中，其槽寬處于中間大小，故對應(yīng)于工作頻段的中間段輻射，最后，區(qū)域?qū)?yīng)的槽寬最小，因而對應(yīng)于高頻段輻射。

以上討論可知，對于此類天線，其工作原理包括阻抗匹配和能量輻射2個方面。

2 UWB槽天線設(shè)計

基于上述討論，設(shè)計一款有限地共面波導(dǎo)的UWB槽天線，其介質(zhì)基片厚度為0.787 4 mm，相對介電常數(shù)為εr=2.33。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，其尺寸為：w=14.4,wf=3.9,g=0.25,ri=8.1,ro=22.1,wg=4,d=9.9,h=26.1，其參數(shù)參照圖1所示，單位為mm。

設(shè)計結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)相應(yīng)的最大槽寬為19.9 mm。若以有效相對介電常數(shù)按εr的開方估算，則對應(yīng)的自由空間波長為121.5 mm，即2.469 GHz。

為驗證其輻射原理，觀察低中高3個頻點上的電場分布特性，如圖2所示。由圖2(a)和圖2(b)可知，在低頻3 GHz上，不管是瞬時相位為0°或者90°(其對稱結(jié)果即為180°和270°情況)，在最大槽寬位置的電場均橫跨通過，而沿其他方向盡管也有電場分布，但方向相對。這說明在3 GHz(即低頻段)的輻射由最大槽寬區(qū)域完成。類似的分析可用于對中頻段15 GHz以及高頻段25 GHz上的討論，如圖2(c)～圖2(f)所示。

圖2 超寬帶槽天線的電場分布仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of electric field distribution of UWB slot antenna

3 原型樣機實驗驗證

上述設(shè)計的原型天線進一步進行了工程實現(xiàn)，并在實物基礎(chǔ)上分別就阻抗匹配和輻射特性進行實驗驗證。圖3所示為仿真與實測的駐波比。

測試表明，該天線在2.55 GHz到超過26 GHz范圍內(nèi)的駐波比小于2，表明其超寬帶工作能力，同時測試結(jié)果與仿真結(jié)果間顯示出一致的變化特性。

在此基礎(chǔ)上，進一步測試該原型樣機的輻射特性。受測試條件限制，這里僅對8～18 GHz范圍內(nèi)的方向圖進行了實驗驗證。

圖3 駐波比與增益特性實測結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.3 Comparison of measured and simulated results of standing wave ratio and gain characteristics

圖4為8，12，15，18 GHz仿真及測試得到的歸一化方向圖。由圖4可以看出，實測結(jié)果與仿真方向圖間顯示出良好的一致性。

圖4 歸一化方向圖實測結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig.4 Comparison of measured results and simulation results of normalized pattern

以上結(jié)果表明，所研制有限地共面波導(dǎo)槽天線具有超寬帶工作特性，此外，該天線還具有剖面低、結(jié)構(gòu)簡單等特點。

4 集成為同時同頻全雙工陣列

同時同頻全雙工陣列是進一步提升頻率資源使用效率的重要解決途徑。在同時同頻全雙工陣列中，收發(fā)通道之間需要具備良好的隔離度[20]。為進一步探討該天線作為基本輻射單元在同時同頻全雙工陣列中的應(yīng)用潛力，提出一種便于工程實現(xiàn)的拼振方案，以同時同頻全雙工陣列的一個通道為例，圖5給出了該陣列結(jié)構(gòu)示意圖。各單元極化方向按圖示依次變化，其端口激勵相位也依次按90°遞進，采用順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)，構(gòu)建圓極化陣列，該陣列可用于同時同頻全雙工通信及測運控系統(tǒng)中。

圖5 一種基于UWB槽天線的同時同頻全雙工陣列實現(xiàn)方案Fig.5 Implementation of a full duplex array with simultaneous and simultaneous frequency based on UWB slot antenna

5 結(jié)束語

本文對一種基于有限地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的UWB槽天線進行了分析與設(shè)計，從基本工作原理角度進行闡述，并從全波電磁仿真以及原型樣機實驗角度進行驗證。結(jié)果表明，所討論的UWB槽天線具有剖面低、結(jié)構(gòu)簡單、帶寬大的特點，顯示出在UWB系統(tǒng)中的應(yīng)用潛能。通過進一步集成為天線陣，該天線可作為同時同頻全雙工陣列的基本輻射單元。