0 引言

    隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源越來越稀缺。為了提高頻譜利用率、減少頻譜資源浪費(fèi)、緩解使用壓力，學(xué)者們提出了認(rèn)知無線電的概念^[1]，其核心思想是使無線通信設(shè)備在寬帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”并加以利用。通常，“頻譜空穴”是一些可利用的窄帶。為了發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”，其系統(tǒng)需要一個(gè)工作頻段很寬的天線作為“掃描天線”來掃描頻譜，以獲得可用頻段^[2-3]。超寬帶天線以其具有良好的全向輻射特性、頻帶寬、結(jié)構(gòu)緊湊、剖面低、成本低、易于加工制作等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于認(rèn)知無線電系統(tǒng)中^[4]。

    然而，在超寬帶頻段中存在其他窄帶業(yè)務(wù)，例如無限城域網(wǎng)（IEEE 802.16 WiMAX，3.3～3.8 GHz）、無線局域網(wǎng)（IEEE 802.11a WLAN，5.15～5.825 GHz）和X波段衛(wèi)星通信的下行頻段（7.25～7.75 GHz）等，因此超寬帶天線容易受到其他常用系統(tǒng)信號的干擾^[5]。為了克服常用無線系統(tǒng)的干擾問題，研究人員提出了具有帶陷波功能的各種超寬帶天線，這些天線可以在單頻帶、多頻帶甚至可重構(gòu)頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶陷波功能^[6-10]。在文獻(xiàn)[9]中，通過將變?nèi)荻O管放置于天線槽線上的某個(gè)位置，給二極管加載不同幅值的直流電壓來改變其電容值，從而實(shí)現(xiàn)了陷波頻段的可重構(gòu)功能，但是天線的尺寸較大，為30×30×0.8 mm³，限制了天線的應(yīng)用。在文獻(xiàn)[10]中，兩個(gè)PIN二極管被安裝在圓形槽的特定位置上，通過開關(guān)二極管可以實(shí)現(xiàn)單陷波和雙陷波特性。但由于圓形槽的對稱性使得二極管的位置不好確定。

    本文設(shè)計(jì)了一款新型陷波可重構(gòu)超寬帶天線，該天線以改進(jìn)的矩形單極子天線為基本模型，通過在輻射貼片上蝕刻倒U形槽和H形槽組成對稱槽開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)2.9～12 GHz頻段內(nèi)的三陷波超寬帶特性。為了在3個(gè)陷波頻段實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)功能，在倒U形槽下面安裝一個(gè)二極管，并且在H形槽的兩側(cè)分別安裝兩個(gè)二極管，通過控制不同的二極管開關(guān)，改變了對稱槽的形狀和有效長度，從而實(shí)現(xiàn)了WiMAX、WLAN和X波段衛(wèi)星通信波段下行頻段的可重構(gòu)陷波特性。此外，由于其可重構(gòu)結(jié)構(gòu)，天線的陷波頻段可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1 天線設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的陷波可重構(gòu)超寬帶天線幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線總體尺寸為23×23×1 mm³。介質(zhì)板上層為改進(jìn)的矩形單極子輻射貼片和微帶饋線，饋線的寬度為2 mm以保證其特性阻抗為50 Ω，介質(zhì)板的下層為切角的矩形地板。在上層輻射貼片上蝕刻倒U形和H形對稱槽縫，實(shí)現(xiàn)了4.6～6 GHz頻段的陷波特性。為了使陷波頻段具有可重構(gòu)特性，引入3個(gè)PIN二極管，其中一個(gè)放置于倒U形槽底部，另外兩個(gè)分別安裝在H形槽兩個(gè)側(cè)邊上。通過控制二極管的開關(guān)狀態(tài)，對稱槽的形狀和有效長度隨之改變，實(shí)現(xiàn)了陷波在3.4～3.9 GHz、4.6～6.0 GHz、6.5～8.2 GHz 3個(gè)頻段上可重構(gòu)。通過高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）對設(shè)計(jì)天線進(jìn)行仿真和優(yōu)化，得到了天線的最佳尺寸，如表1所示。

    對稱槽實(shí)質(zhì)上可以看作是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)陷波功能的半波長諧振單元。將3個(gè)PIN二極管分別安裝在圖1中的合適位置，用黑色的小矩形塊表示，分別命名為D₁、D₂和D₃。給二極管加正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，表現(xiàn)為小電阻特性，因而近似看作通路；反之，給二極管加反向電壓時(shí)，二極管截止，表現(xiàn)為小電容特性，近似看作是開路狀態(tài)。

    當(dāng)D₂導(dǎo)通，D₁和D₃截止時(shí)，記為狀態(tài)1，此時(shí)對稱槽變?yōu)橛蓛蓚€(gè)T形和一個(gè)倒U形組成的縫隙結(jié)構(gòu)，有效諧振長度為L=2(S₁+S₂)+W₃=38 mm，實(shí)現(xiàn)了WiMAX(3.4～3.9 GHz)頻段的陷波特性；當(dāng)3個(gè)二極管都截止時(shí)，記為狀態(tài)2，此時(shí)對稱槽變?yōu)镠形縫隙結(jié)構(gòu)，其有效諧振長度為L=2S₁+W₃=23.6 mm，實(shí)現(xiàn)了WLAN(4.6～6.0 GHz)頻段的陷波特性；當(dāng)D₁和D₃導(dǎo)通，D₂截止，此時(shí)記為狀態(tài)3，對稱槽變?yōu)镃形縫隙結(jié)構(gòu)，有效諧振長度為L=2(S₁-S₃)+W₃=15 mm，實(shí)現(xiàn)了X波段衛(wèi)星通信下行頻段(6.5～8.2 GHz)的陷波特性。

    結(jié)合不同的二極管開關(guān)狀態(tài)就可以將陷波頻段在上述3個(gè)頻段之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)陷波可重構(gòu)特性。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)對稱槽的長度，可以在其他波段實(shí)現(xiàn)陷波特性。圖2中展示了陷波可重構(gòu)超寬帶天線在不同工作狀態(tài)下的仿真駐波比，在陷波頻段，天線駐波比大于2，同時(shí)在工作頻段(2.9～12 GHz)的其他頻段范圍內(nèi)，天線的駐波比小于2。

2 天線測試結(jié)果

    該天線設(shè)計(jì)在相對介電常數(shù)ε_r為2.2，損耗角正切tanδ為0.001的Rogers 5880介質(zhì)板上。天線實(shí)物如圖3所示。加工制作后，使用Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波暗室遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)分別測試了天線的駐波比和遠(yuǎn)場特性，并進(jìn)行了分析比較。

    天線在不同工作狀態(tài)下的實(shí)測駐波比曲線如圖4所示。與圖2中的仿真曲線進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，但有稍微抖動(dòng)，這是由于加工誤差、SMA接頭的焊接誤差以及測試環(huán)境影響導(dǎo)致的。

    圖5中是在D₂導(dǎo)通、D₁和D₃都截止的狀態(tài)下，該天線在4 GHz和6 GHz頻率時(shí)xoz面以及yoz面的仿真和實(shí)測方向圖。在其他狀態(tài)下，該天線的方向圖與之類似。從圖中可以看出，天線在yoz面的輻射方向圖呈“8”字形，在xoz面則呈全向輻射特性，仿真和測試結(jié)果吻合較好，天線主極化純度較高，交叉極化較低，從仿真和實(shí)測結(jié)果來看天線的輻射特性類似于普通單極子天線的輻射特性。

    天線在3種工作狀態(tài)下的實(shí)測增益如圖6所示，從圖中可以看出，在3.4～3.9 GHz、4.6～6.0 GHz和6.5～8.2 GHz頻段天線的實(shí)測增益均為負(fù)值，形成了較大衰減，實(shí)現(xiàn)了陷波特性，在除陷波頻段外的其他工作頻段增益均保持在0 dB以上，在不影響超寬帶頻率范圍通信的同時(shí)有效地抑制了常用信號的干擾。

3 結(jié)論

    本文提出了一款可應(yīng)用于認(rèn)知無線電系統(tǒng)的新型陷波可重構(gòu)超寬帶縫隙天線。該天線以矩形單極子為基礎(chǔ)，采用改進(jìn)的矩形輻射貼片和切角的矩形地板來實(shí)現(xiàn)超寬帶特性，通過在輻射貼片蝕刻倒U形和H形組成的對稱槽，實(shí)現(xiàn)了陷波特性。為了實(shí)現(xiàn)陷波可重構(gòu)，引入了3個(gè)PIN二極管，其中一個(gè)安裝在倒U形槽底部，另外兩個(gè)二極管分別安裝在H形槽的兩個(gè)側(cè)邊上。當(dāng)二極管設(shè)置為不同開關(guān)狀態(tài)時(shí)，對稱槽的形狀和有效長度隨之改變，從而使得陷波頻段在3.4～3.9 GHz、4.6～6.0 GHz和6.5～8.2 GHz頻段上可重構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、便于加工制作，在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中有潛在應(yīng)用價(jià)值。

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作者信息:

呂昕夢1，蔣炫佑1，馬文韜1，何琬冰2

（1.陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京210000；2.中國海上衛(wèi)星測控部，江蘇 江陰214431）