孙孝波,王志刚,张永欣,李 静,马 胜,王 聪,王佩光
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美国联邦委员会(FCC)于2002年将超宽带一部分频段划归为民用频段,UWB在各行业的应用立马引起了科研人员的重视。UWB无线信号在通信技术方面具有较低的使用功耗、抗外界因素干扰能力强、信号的传输效率高,尤其在精确人员、物资定位系统及短距离通信方面广泛使用[1-6]。基于UWB信号自身的特点,使超宽带通讯技术在室内定位领域取得了比较理想的定位结果。
微带天线包含一种类型“印刷单极子天线”,自设计到应用,印刷单极子天线以信号全向特性好、自身质量轻、原材料成本低廉的优点受到大范围应用。天线本身除具有微带天线的特点外,印刷单极子天线还具有增益高和阻抗容易匹配等优点。超宽带定位系统的硬件组成中最重要的一块是UWB定位天线,传输效率、抗干扰性能的优劣会直接影响到整个定位系统的定位效果。目前,超宽带天线的设计在为适应无线终端小体积和低剖面的方面仍然面临许多挑战。不容忽视的是天线尺寸的缩减一定会牺牲天线自身的性能[7-12]。
5G通信系统的低频段3.4~3.6 GHz(中国电信:3.4~3.5 GHz;中国联通:3.5~3.6 GHz)在UWB频段(3.1~10.6 GHz)内。UWB常用于室内定位产品,而5G通信作为人们日常使用的移动通信,两者频段存在重合使用场景也趋于相同时,很容易产生干扰[13-17]。为了保证UWB天线的性能,避免外界其他因素(尤其是在5G覆盖范围内受5G信号的影响)对UWB天线的干扰,将天线设计为具备陷波特性的天线。将陷波结构引入到UWB天线,并结合UWB天线自身的特点转化为新的天线类型。UWB天线可以通过许多不同的结构来获得陷波特性,开槽的方式结构简单,通常将槽口部位设计成U型、直线型或V型来控制天线表面的电流形成陷波特性,让槽口处宽度很小是开槽最常见的一种手段,天线的特性可通过更改槽口的长度来调整,对整个频段内阻抗匹配影响可以忽略不计;除此之外还可以通过融合寄生单元、采用分形或调谐枝节的方式,但其结构复杂,对某些频段内阻抗匹配产生一些影响。
结合以往陷波天线的设计思路,本文对超宽带天线进行了带陷特性设计,设计思路是辐射片采取“U”型设计,可调整辐射片间隙的间距,使其具备陷波特性良好的抗干扰性,同时最大程度地保证天线自身的全向性和平坦的增益特性。本论文设计的超宽带陷波天线,天线S11-10dB的阻抗带宽为2.7~7.3 GHz,在3.4~3.6GHz频段内产生阻带。
美国联邦委员会(FCC)于2002年将超宽带一部分频段划归为民用频段,UWB在各行业的应用立马引起了科研人员的重视,在超宽带定位系统中天线是硬件重要组成部分之一,优异的天线性能是各行各业研究的重点。(3.1~10.6 GHz)频带内的阻抗适配、全向辐射方向、良好的天线增益,同时具备微型及低成本的特性是UWB天线设计的主要内容。目前在用的UWB天线尺寸偏大,在与小型超宽带系统的集成上天线尺寸问题尤为突出,因此,近些年来UWB天线成为实验研究的主要方向[18-22]。
不同的通讯系统因各自工作频段多互相之间可能会产生一定的干扰,陷波特性与宽频带的结合能有效地避免不同通信系统信号的干扰。在天线端串联滤波器是简单的引入陷波特性的方法,但在实际应用中,新增的滤波器增加了损耗,增加了天线的体积,同时给阻抗匹配增加了难度。以不影响天线指标为前提,在不增加天线自身体积的情况下将陷波结构与天线融合。该方式不仅能够为宽频小型化设备的应用提供新的解决思路,还能够改善天线工作频段内的性能同时抑制不同的通讯系统干扰。
目前有3种技术可以实现陷波功能,在应用上有所差异取决于各自的应用需求。通过设计谐振结构引入陷波特性的方式有2种,分别是在辐射单元上进行谐振设计和辐射口处引入带阻谐振结构[20],前者用于剖面较低或缺乏合适馈线的天线;另外一种是在天线的内部设计滤波电路[19]。具备微型且性能优异的带阻滤波器是带阻谐振结构的难题,而滤波电路的方式需要分析滤波电路对天线其他性能的影响。性能良好的陷波天线在不影响天线辐射性能的同时还可以提升天线自身的性能。
UWB天线对阻抗谐振器和谐振环设计引入陷波特性。电耦合和磁耦合是开口谐振环的2种耦合方式,分别在中间插入电壁时谐振频率[18]用式(1)、式(2)表示:
(1)
(2)
包含有电耦合和磁耦合称为混合耦合,在两者间插入电壁时谐振频率可用式(3)来表示:
(3)
式中:C为谐振单元的自电容,L为自电感;Lm为互感电感,Cm为互感电容。
本文根据以上分析设计了具有陷波功能的杯形开槽天线,具体介绍如下。
本文设计的超宽带天线如图1所示,包含辐射片、金属地板、介质板、SMA接头,且辐射片位于介质板顶层,金属地板位于介质板底层,该超宽带天线属于印刷单极子天线,在常规的单极子天线基础上将辐射片优化成“梨”结构,以展宽天线带宽,优化天线方向图。辐射片与50 Ω特性阻抗线相连;为了利于测试,微带线输入连接SMA接头,SMA接头特性阻抗与微带线相同。通过调整辐射片长和宽,可以改变天线频率;调辐射片与金属底板的间隔gap参数可以得到更宽的阻抗带宽。天线介质板采用FR4板材,厚度0.8 mm。天线使用HFSS13.0软件建模,仿真并优化天线具体尺寸表1所示。
图1 超宽带天线
表1 超宽带天线尺寸参数
本文设计的超宽带陷波天线如图2所示,包含“U”形缝隙辐射片、金属地板、介质板、SMA接头。该超宽带陷波天线是在图1超宽带天线的基础上做了改进,在超宽带天线的辐射片上开出“U”缝隙,实现5G通信(3.4~3.6)GHz频段的陷波。“U”缝隙的长度约3.5 GHz的1/4波长,天线使用HFSS13.0软件建模,仿真并优化,具体参数尺寸如表2所示。
图2 超宽带陷波天线
表2 超宽带陷波天线尺寸参数
超宽带天线测试结果如图3、图4所示。由图3看出超宽带天线驻波小于2时带宽为2.9~7.5 GHz。图4为超宽带天线在5.5 GHz时交叉极化和主极化天线方向图。在5.5 GHz时主极化最大增益为3.69 dB,主极化在phi=0°和phi=90°时不圆度为3 dB。
图3 超宽带天线驻波
图4 5.5 GHz时超宽带天线方向图
结合5.5 GHz时超宽带天线方向图,天线辐射方向为一个较宽的“8”字,这个结果说明该陷波天线具备全向的辐射特性能够满足超宽带通讯系统的工作要求。
超宽带陷波天线结果如图5、图6所示。由图5看出超宽带陷波天线驻波小于2时带宽为2.9~7.5 GHz,陷波带宽为3.4~3.6 GHz。结合图6超宽带天线在5.5 GHz时交叉极化和主极化方向图,在5.5 GHz时主极化最大增益为3.65 dB,主极化在phi=0°和phi=90°时不圆度为2.85 dB。由图4和图6可以看出在5.5 GHz时超宽带天线方向图与超宽带陷波天线方向图基本没有变化,主极化最大增益和不圆度基本相同。
图5 超宽带陷波天线驻波
图6 5.5 GHz时超宽带陷波天线方向图
超宽带陷波天线各频点最大增益如表3所示。在6.5 GHz时最大增益为3.96 dB,为最大,这是因为在6.5 GHz时天线尺寸相对应6.5 GHz波长较长。在3.5 GHz时天线最大增益为-3.5 dB,这是因为天线在3.4~3.6 GHz产生陷波引起的。
表3 天线频点最大增益
本文设计的超宽带陷波天线可以使用在UWB通信产品上,因其微型化、低剖面、可内置、方便集成等优点,可广泛用于UWB定位标签、基站等产品上。在超宽带天线的辐射片上开出“U”缝隙,能够在UWB频段内稳定工作,并屏蔽来自5G通信信号的干扰,同时可通过改变天线辐射片上缝隙长度来改变陷波频段满足不同频段陷波要求,提高该天线在不同场景下的适应性。