梯形多縫-六邊形陣列復合超寬頻帶天線

作者　 林斌 林智鵬廈門大學嘉庚學院(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，設計了一款梯形多縫-六邊形陣列復合超寬頻帶天線，制作了天線樣品并實際測試了天線工作性能。實測結(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)中有較大應用前景。

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

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

0 引言

　　21世紀是無線通信領(lǐng)域高速進步的時期，各種不同制式的無線通信系統(tǒng)正在得到廣泛的應用。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用系統(tǒng)，對終端硬件設備和通信協(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該能夠同時覆蓋上述所有工作頻段，并滿足回波損耗低、在各個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。把一個金屬六邊形結(jié)構(gòu)分為12個直角三角形，在每個直角三角形的中心位置挖出一個直角三角形孔，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)過合理設計，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。仿生學是一門全新的跨學科應用科學，它的研究對象是生物體具有功能性的組成結(jié)構(gòu)，并將其原理應用到工業(yè)設計之中，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)，由六個正六邊形圍繞一個正六邊形組成，其空間利用率高，且極其堅固，具有很高的機械強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)設計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-六邊形陣列復合超寬頻帶天線結(jié)構(gòu)設計

　　在設計中，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-六邊形陣列復合接地板，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　梯形多縫-六邊形陣列復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邊長為8.0 mm的正六邊形區(qū)域劃分為2個等腰梯形區(qū)域，并用梯形多縫小天線填充14個等腰梯形區(qū)域。梯形多縫小天線是在一個上底長度為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-六邊形陣列復合輻射貼片的底部邊沿中心設有天線饋電點?！　」庾泳w-六邊形陣列復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邊長為8.0 mm的正六邊形區(qū)域劃分為12個直角三角形區(qū)域，并用空心直角三角形填充84個直角三角形區(qū)域，組成光子晶體接地板?？招闹苯侨切问窃诿總€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工作頻段的輻射性能均勻穩(wěn)定。光子晶體-六邊形陣列復合接地板利用產(chǎn)生的光子帶隙進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-六邊形陣列復合超寬頻帶天線樣品測試

　　根據(jù)上述設計，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，設計了梯形多縫-六邊形陣列復合輻射貼片;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，設計了光子晶體-六邊形陣列復合接地板;輻射貼片和接地板結(jié)合，組成了梯形多縫-六邊形陣列復合超寬頻帶天線。實測結(jié)果顯示，該款天線能夠用一個超寬的工作頻帶，同時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、在各個工作頻段輻射性能均勻穩(wěn)定、全向輻射等要求，具有超強的兼容性。

　　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。該款天線用一個超寬的工作頻帶同時覆蓋了四種系統(tǒng)的工作頻段，其超寬帶工作性能遠遠好于用多頻段疊加方式實現(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，回波損耗遠低于現(xiàn)有天線，且在各個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)，具有很高的機械強度，抗破壞性強。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，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。