梯形多縫-六邊形陣列復合超寬頻帶天線(xiàn)

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

摘要：針對微波頻段多網(wǎng)合一系統對超寬頻帶天線(xiàn)的性能要求，將梯形多縫輻射結構、光子晶體結構、六邊形陣列結構巧妙融合，設計了一款梯形多縫-六邊形陣列復合超寬頻帶天線(xiàn)，制作了天線(xiàn)樣品并實(shí)際測試了天線(xiàn)工作性能。實(shí)測結果表明，該款天線(xiàn)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(dòng)通信頻段、射頻識別頻段、超寬帶通信頻段和移動(dòng)數字電視頻段，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(xué)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：數學(xué)建模、電磁場(chǎng)數值計算。

0 引言

　　21世紀是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域高速進(jìn)步的時(shí)期，各種不同制式的無(wú)線(xiàn)通信系統正在得到廣泛的應用。移動(dòng)通信、射頻識別、超寬帶通信、移動(dòng)數字電視都是工作在微波頻段的無(wú)線(xiàn)通信應用系統，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(wú)線(xiàn)通信終端能夠同時(shí)覆蓋移動(dòng)通信系統頻段、射頻識別系統頻段、超寬帶通信系統頻段和移動(dòng)數字電視系統頻段，就能夠實(shí)現在微波頻段的多網(wǎng)合一。

　　我國目前正在同時(shí)使用多代移動(dòng)通信系統。我國使用的第二代移動(dòng)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(dòng)通信頻段為T(mén)D-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(dòng)通信頻段為T(mén)D-LTE制式2.570 GHz～2.620 GHz頻段;即將投入使用的第五代移動(dòng)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]。超寬帶系統的工作頻段為3.100 GHz～10.600 GHz ^[11]。移動(dòng)數字電視系統工作頻段為11.700 GHz～12.200 GHz ^[12]。一款微波頻段的多網(wǎng)合一無(wú)線(xiàn)通信終端天線(xiàn)應該能夠同時(shí)覆蓋上述所有工作頻段，并滿(mǎn)足回波損耗低、在各個(gè)工作頻段輻射性能均勻穩定等要求。

1 梯形多縫天線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　梯形多縫天線(xiàn)是一種具有較好的寬頻帶工作性能的多縫天線(xiàn)，其結構如圖1所示。梯形多縫天線(xiàn)利用多條輻射縫隙工作頻段疊加實(shí)現寬頻工作，它由3條以上直線(xiàn)縫隙組成，從上到下，直線(xiàn)縫隙的長(cháng)度逐漸增加。每條直線(xiàn)縫隙的長(cháng)度不同，工作頻帶不同，多條直線(xiàn)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 六邊形光子晶體結構簡(jiǎn)介

　　六邊形光子晶體結構如圖2所示。把一個(gè)金屬六邊形結構分為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構中，可以構成六邊形光子晶體結構，其產(chǎn)生的光子帶隙會(huì )部分阻止一定頻率的微波信號的傳播。經(jīng)過(guò)合理設計，可以讓光子晶體結構產(chǎn)生的光子帶隙位于天線(xiàn)工作頻段中，這樣天線(xiàn)在原工作頻段的輻射會(huì )被部分阻止，而在鄰近的頻段產(chǎn)生輻射，從而增大天線(xiàn)的工作帶寬。

3 六邊形陣列結構簡(jiǎn)介

　　六邊形陣列結構是一種基于仿生學(xué)原理提出的天線(xiàn)陣列排布結構，其排列方式如圖3所示。仿生學(xué)是一門(mén)全新的跨學(xué)科應用科學(xué)，它的研究對象是生物體具有功能性的組成結構，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。六邊形陣列結構是模仿自然界中蜂巢結構的仿生結構，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，且極其堅固，具有很高的機械強度和很好的抗破壞性。六邊形陣列結構是一種完美對稱(chēng)結構，射頻電流在其內部可以均勻分布，使用六邊形陣列結構設計陣列天線(xiàn)可以保證天線(xiàn)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(xiàn)結構設計

　　在設計中，使用低損耗微波陶瓷基板作為天線(xiàn)的介質(zhì)基板，其相對介電常數為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(xiàn)的梯形多縫-六邊形陣列復合輻射貼片，其結構如圖4所示。微波陶瓷基板的背面貼覆有天線(xiàn)的光子晶體-六邊形陣列復合接地板，其結構如圖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構作為基本結構，將六邊形陣列中的每個(gè)邊長(cháng)為8.0 mm的正六邊形區域劃分為2個(gè)等腰梯形區域，并用梯形多縫小天線(xiàn)填充14個(gè)等腰梯形區域。梯形多縫小天線(xiàn)是在一個(gè)上底長(cháng)度為8.0 mm、下底長(cháng)度為16.0 mm的金屬等腰梯形上開(kāi)出7條直線(xiàn)縫隙得到，各條直線(xiàn)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(xiàn)饋電點(diǎn)?！　」庾泳w-六邊形陣列復合接地板使用六邊形陣列結構作為基本結構，將六邊形陣列中的每個(gè)邊長(cháng)為8.0 mm的正六邊形區域劃分為12個(gè)直角三角形區域，并用空心直角三角形填充84個(gè)直角三角形區域，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(cháng)度為金屬直角三角形各邊的長(cháng)度的一半。

　　梯形多縫-六邊形陣列復合天線(xiàn)很好地將梯形多縫天線(xiàn)和六邊形陣列結構的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)，梯形多縫天線(xiàn)通過(guò)多條不同長(cháng)度的縫隙的輻射疊加，保證天線(xiàn)有較高的輻射強度和較大的工作帶寬。六邊形陣列結構的完美對稱(chēng)，使射頻電流在天線(xiàn)內部均勻分布，增大了天線(xiàn)的工作帶寬并保證天線(xiàn)在各個(gè)工作頻段的輻射性能均勻穩定。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(jìn)一步拓展了天線(xiàn)的工作頻段，使天線(xiàn)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(xiàn)樣品測試

　　根據上述設計，我們制作了天線(xiàn)樣品，并測試了它的輻射性能和方向圖性能，實(shí)測結果如圖6和圖7所示。

　　從圖6可知，該款天線(xiàn)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)工作頻帶內天線(xiàn)回波損耗都低于-10 dB，回波損耗最小值為-51.69 dB。實(shí)測結果顯示，該款天線(xiàn)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(dòng)通信所有制式所有工作頻段、射頻識別系統工作頻段、超寬帶系統工作頻段、移動(dòng)數字電視系統工作頻段。

　　從圖7可知，該款天線(xiàn)的電面和磁面都具有良好的空間全角度工作能力。

6 結論

　　本文針對四種微波頻段無(wú)線(xiàn)通信應用系統對微波頻段多網(wǎng)合一天線(xiàn)的性能要求，將梯形多縫天線(xiàn)和六邊形陣列結構相結合，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構和六邊形陣列結構相結合，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合，組成了梯形多縫-六邊形陣列復合超寬頻帶天線(xiàn)。實(shí)測結果顯示，該款天線(xiàn)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(dòng)通信系統頻段、射頻識別系統頻段、超寬帶通信系統頻段和移動(dòng)數字電視系統頻段，并滿(mǎn)足回波損耗低、在各個(gè)工作頻段輻射性能均勻穩定、全向輻射等要求，具有超強的兼容性。

　　與現有移動(dòng)通信、射頻識別、超寬帶通信、移動(dòng)數字電視天線(xiàn)相比，該款天線(xiàn)具有較大的性能優(yōu)勢。該款天線(xiàn)用一個(gè)超寬的工作頻帶同時(shí)覆蓋了四種系統的工作頻段，其超寬帶工作性能遠遠好于用多頻段疊加方式實(shí)現覆蓋的現有天線(xiàn);該款天線(xiàn)在0.702 GHz～14.503 GHz的頻率范圍內，回波損耗值都低于-50 dB，波動(dòng)很小，回波損耗遠低于現有天線(xiàn)，且在各個(gè)工作頻段的輻射性能都具有很高的穩定性;天線(xiàn)使用了六邊形陣列仿生結構，具有很高的機械強度，抗破壞性強。該款天線(xiàn)性能優(yōu)異，在微波頻段多網(wǎng)合一系統中有較好的應用前景。

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