梯形多縫-六邊形陣列復(fù)合超寬頻帶天線

作者　 林斌 林智鵬廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院(福建 漳州 363105)

摘要：針對微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)對超寬頻帶天線的性能要求，將梯形多縫輻射結(jié)構(gòu)、光子晶體結(jié)構(gòu)、六邊形陣列結(jié)構(gòu)巧妙融合，設(shè)計(jì)了一款梯形多縫-六邊形陣列復(fù)合超寬頻帶天線，制作了天線樣品并實(shí)際測試了天線工作性能。實(shí)測結(jié)果表明，該款天線具有微波頻段多頻段兼容功能，能夠超寬頻帶工作，能夠完全覆蓋第二代至第五代移動通信頻段、射頻識別頻段、超寬帶通信頻段和移動數(shù)字電視頻段，輻射性能較好，有較大性能冗余，在多網(wǎng)合一系統(tǒng)中有較大應(yīng)用前景。

　　*基金項(xiàng)目：福建省高校杰出青年科研人才培育計(jì)劃項(xiàng)目(閩教科[2017]52號)，福建省自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號：2016J01318)

　　林斌(1984-)，男，碩士，副教授，研究方向：微波射頻器件設(shè)計(jì)、太赫茲波段器件設(shè)計(jì);林智鵬，男，碩士，講師，研究方向：數(shù)學(xué)建模、電磁場數(shù)值計(jì)算。

0 引言

　　21世紀(jì)是無線通信領(lǐng)域高速進(jìn)步的時(shí)期，各種不同制式的無線通信系統(tǒng)正在得到廣泛的應(yīng)用。移動通信、射頻識別、超寬帶通信、移動數(shù)字電視都是工作在微波頻段的無線通信應(yīng)用系統(tǒng)，對終端硬件設(shè)備和通信協(xié)議的要求相似，具有很大的整合潛力^[1-6]。如果一款無線通信終端能夠同時(shí)覆蓋移動通信系統(tǒng)頻段、射頻識別系統(tǒng)頻段、超寬帶通信系統(tǒng)頻段和移動數(shù)字電視系統(tǒng)頻段，就能夠?qū)崿F(xiàn)在微波頻段的多網(wǎng)合一。

　　我國目前正在同時(shí)使用多代移動通信系統(tǒng)。我國使用的第二代移動通信頻段為GSM制式0.905 GHz～0.915 GHz、0.950 GHz～0.960 GHz、1.710 GHz～1.785 GHz、1.805 GHz～1.880 GHz頻段;第三代移動通信頻段為TD-SCDMA制式1.880 GHz～1.920 GHz、2.010 GHz～2.025 GHz、2.300 GHz～2.400 GHz頻段和WCDMA制式1.920 GHz～1.980 GHz、2.110 GHz～2.170 GHz頻段;第四代移動通信頻段為TD-LTE制式2.570 GHz～2.620 GHz頻段;即將投入使用的第五代移動通信有三個(gè)候選頻段，分別為：3.300 GHz～3.400 GHz、4.400 GHz～4.500 GHz、4.800 GHz～4.990 GHz [7-8]。射頻識別系統(tǒng)有三個(gè)主要的工作頻段：0.902 GHz～0.928 GHz、2.400 GHz～2.4835 GHz、5.725 GHz～5.875 GHz [9-10]。超寬帶系統(tǒng)的工作頻段為3.100 GHz～10.600 GHz ^[11]。移動數(shù)字電視系統(tǒng)工作頻段為11.700 GHz～12.200 GHz ^[12]。一款微波頻段的多網(wǎng)合一無線通信終端天線應(yīng)該能夠同時(shí)覆蓋上述所有工作頻段，并滿足回波損耗低、在各個(gè)工作頻段輻射性能均勻穩(wěn)定等要求。

1 梯形多縫天線簡介

　　梯形多縫天線是一種具有較好的寬頻帶工作性能的多縫天線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。梯形多縫天線利用多條輻射縫隙工作頻段疊加實(shí)現(xiàn)寬頻工作，它由3條以上直線縫隙組成，從上到下，直線縫隙的長度逐漸增加。每條直線縫隙的長度不同，工作頻帶不同，多條直線縫隙的輻射疊加，可以形成一個(gè)工作帶寬較大的工作頻帶。

2 六邊形光子晶體結(jié)構(gòu)簡介

　　六邊形光子晶體結(jié)構(gòu)如圖2所示。把一個(gè)金屬六邊形結(jié)構(gòu)分為12個(gè)直角三角形，在每個(gè)直角三角形的中心位置挖出一個(gè)直角三角形孔，讓直角三角形孔周期性地分布在金屬六邊形結(jié)構(gòu)中，可以構(gòu)成六邊形光子晶體結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的光子帶隙會部分阻止一定頻率的微波信號的傳播。經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，可以讓光子晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光子帶隙位于天線工作頻段中，這樣天線在原工作頻段的輻射會被部分阻止，而在鄰近的頻段產(chǎn)生輻射，從而增大天線的工作帶寬。

3 六邊形陣列結(jié)構(gòu)簡介

　　六邊形陣列結(jié)構(gòu)是一種基于仿生學(xué)原理提出的天線陣列排布結(jié)構(gòu)，其排列方式如圖3所示。仿生學(xué)是一門全新的跨學(xué)科應(yīng)用科學(xué)，它的研究對象是生物體具有功能性的組成結(jié)構(gòu)，并將其原理應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計(jì)之中，發(fā)明模仿生物組織、器官、巢穴工作原理，具有優(yōu)良性能的儀器設(shè)備。六邊形陣列結(jié)構(gòu)是模仿自然界中蜂巢結(jié)構(gòu)的仿生結(jié)構(gòu)，由六個(gè)正六邊形圍繞一個(gè)正六邊形組成，其空間利用率高，且極其堅(jiān)固，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和很好的抗破壞性。六邊形陣列結(jié)構(gòu)是一種完美對稱結(jié)構(gòu)，射頻電流在其內(nèi)部可以均勻分布，使用六邊形陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)陣列天線可以保證天線具有超寬頻帶工作特性。

4 梯形多縫-六邊形陣列復(fù)合超寬頻帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在設(shè)計(jì)中，使用低損耗微波陶瓷基板作為天線的介質(zhì)基板，其相對介電常數(shù)為50，基板的形狀為矩形，尺寸是40 mm×41.6 mm，厚度為1 mm。微波陶瓷基板的正面貼覆有天線的梯形多縫-六邊形陣列復(fù)合輻射貼片，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。微波陶瓷基板的背面貼覆有天線的光子晶體-六邊形陣列復(fù)合接地板，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　梯形多縫-六邊形陣列復(fù)合輻射貼片使用六邊形陣列結(jié)構(gòu)作為基本結(jié)構(gòu)，將六邊形陣列中的每個(gè)邊長為8.0 mm的正六邊形區(qū)域劃分為2個(gè)等腰梯形區(qū)域，并用梯形多縫小天線填充14個(gè)等腰梯形區(qū)域。梯形多縫小天線是在一個(gè)上底長度為8.0 mm、下底長度為16.0 mm的金屬等腰梯形上開出7條直線縫隙得到，各條直線縫隙都與梯形的上下底邊平行，縫隙寬度為0.5 mm。梯形多縫-六邊形陣列復(fù)合輻射貼片的底部邊沿中心設(shè)有天線饋電點(diǎn)?！　」庾泳w-六邊形陣列復(fù)合接地板使用六邊形陣列結(jié)構(gòu)作為基本結(jié)構(gòu)，將六邊形陣列中的每個(gè)邊長為8.0 mm的正六邊形區(qū)域劃分為12個(gè)直角三角形區(qū)域，并用空心直角三角形填充84個(gè)直角三角形區(qū)域，組成光子晶體接地板?？招闹苯侨切问窃诿總€(gè)金屬直角三角形的中心位置，挖出直角三角形孔而得到。三角形孔的各邊的長度為金屬直角三角形各邊的長度的一半。

　　梯形多縫-六邊形陣列復(fù)合天線很好地將梯形多縫天線和六邊形陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，梯形多縫天線通過多條不同長度的縫隙的輻射疊加，保證天線有較高的輻射強(qiáng)度和較大的工作帶寬。六邊形陣列結(jié)構(gòu)的完美對稱，使射頻電流在天線內(nèi)部均勻分布，增大了天線的工作帶寬并保證天線在各個(gè)工作頻段的輻射性能均勻穩(wěn)定。光子晶體-六邊形陣列復(fù)合接地板利用產(chǎn)生的光子帶隙進(jìn)一步拓展了天線的工作頻段，使天線具有優(yōu)異的超寬頻段工作性能。

5 梯形多縫-六邊形陣列復(fù)合超寬頻帶天線樣品測試

　　根據(jù)上述設(shè)計(jì)，我們制作了天線樣品，并測試了它的輻射性能和方向圖性能，實(shí)測結(jié)果如圖6和圖7所示。

　　從圖6可知，該款天線的工作頻帶范圍為0.538 GHz～15.131 GHz，工作帶寬為14.593 GHz，帶寬倍頻程為28.12，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)天線回波損耗都低于-10 dB，回波損耗最小值為-51.69 dB。實(shí)測結(jié)果顯示，該款天線完全覆蓋了0.902 GHz～0.928 GHz、0.905 GHz～0.915 GHz、0.950 GHz～0.960 GHz、1.710 GHz～1.785 GHz、1.805 GHz～1.880 GHz、1.880 GHz～1.920 GHz、1.920 GHz～1.980 GHz、2.010 GHz～2.025 GHz、2.110 GHz～2.170 GHz、2.300 GHz～2.400 GHz、2.400 GHz～2.4835 GHz、2.570 GHz～2.620 GHz、3.300 GHz～3.400 GHz、4.400 GHz～4.500 GHz、4.800 GHz～4.990 GHz、5.725 GHz～5.875 GHz、3.100 GHz～10.600 GHz、11.700 GHz～12.200 GHz等第二代至第五代移動通信所有制式所有工作頻段、射頻識別系統(tǒng)工作頻段、超寬帶系統(tǒng)工作頻段、移動數(shù)字電視系統(tǒng)工作頻段。

　　從圖7可知，該款天線的電面和磁面都具有良好的空間全角度工作能力。

6 結(jié)論

　　本文針對四種微波頻段無線通信應(yīng)用系統(tǒng)對微波頻段多網(wǎng)合一天線的性能要求，將梯形多縫天線和六邊形陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了梯形多縫-六邊形陣列復(fù)合輻射貼片;將六邊形光子晶體結(jié)構(gòu)和六邊形陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了光子晶體-六邊形陣列復(fù)合接地板;輻射貼片和接地板結(jié)合，組成了梯形多縫-六邊形陣列復(fù)合超寬頻帶天線。實(shí)測結(jié)果顯示，該款天線能夠用一個(gè)超寬的工作頻帶，同時(shí)覆蓋第二代至第五代移動通信系統(tǒng)頻段、射頻識別系統(tǒng)頻段、超寬帶通信系統(tǒng)頻段和移動數(shù)字電視系統(tǒng)頻段，并滿足回波損耗低、在各個(gè)工作頻段輻射性能均勻穩(wěn)定、全向輻射等要求，具有超強(qiáng)的兼容性。

　　與現(xiàn)有移動通信、射頻識別、超寬帶通信、移動數(shù)字電視天線相比，該款天線具有較大的性能優(yōu)勢。該款天線用一個(gè)超寬的工作頻帶同時(shí)覆蓋了四種系統(tǒng)的工作頻段，其超寬帶工作性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于用多頻段疊加方式實(shí)現(xiàn)覆蓋的現(xiàn)有天線;該款天線在0.702 GHz～14.503 GHz的頻率范圍內(nèi)，回波損耗值都低于-50 dB，波動很小，回波損耗遠(yuǎn)低于現(xiàn)有天線，且在各個(gè)工作頻段的輻射性能都具有很高的穩(wěn)定性;天線使用了六邊形陣列仿生結(jié)構(gòu)，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，抗破壞性強(qiáng)。該款天線性能優(yōu)異，在微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第30頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。