林斌 林智鵬
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)了一款梯形多縫一六邊形陣列復(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(dòng)通信頻段、射頻識(shí)別頻段、超寬帶通信頻段和移動(dòng)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。
關(guān)鍵詞:梯形多縫天線;光子晶體結(jié)構(gòu);六邊形陣列;超寬頻帶天線
DOI: 10.396 9/j.issn.1005-5 517.201 8.7.008
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(dòng)通信、射頻識(shí)別、超寬帶通信、移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)頻段、射頻識(shí)別系統(tǒng)頻段、超寬帶通信系統(tǒng)頻段和移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)。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TD-SCDMA制式1.880 GHz~1.920 GHz、2.010GHz~2.025 GHz、2.300 GHz~2.400 GHz頻段和WCDMA制式1.920 GHz~1.980 GHz、2.110GHz~2.170 GHz頻段;第四代移動(dòng)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(dòng)通信有三個(gè)候選頻段,分別為:3.300GHz~3.400 GHz、4.400 GHz~4.500 GHz、4.800GHz~4.990 GHz[7-8]。射頻識(shí)別系統(tǒng)有三個(gè)主要的工作頻段:0.902 GHz~0.928 GHz、2.400 GHz~2.4835GHz、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(dòng)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(huì)部分阻止一定頻率的微波信號(hào)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(huì)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 梯形多縫一六邊形陣列復(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40mm×41.6mm,厚度為1mm。微波陶瓷基板的正面貼覆有天線的梯形多縫一六邊形陣列復(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一六邊形陣列復(fù)合接地板,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
梯形多縫一六邊形陣列復(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8.0mm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8.0mm、下底長度為16.0mm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0.5mm。梯形多縫一六邊形陣列復(fù)合輻射貼片的底部邊沿中心設(shè)有天線饋電點(diǎn)。
光子晶體一六邊形陣列復(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8.0mm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。
梯形多縫一六邊形陣列復(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。光子晶體一六邊形陣列復(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 梯形多縫一六邊形陣列復(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0.538GHz~15.131GHz,工作帶寬為14.593GHz,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-10dB,回波損耗最小值為-51.69dB。實(shí)測結(jié)果顯示,該款天線完全覆蓋了0.902GHz~0.928GHz、0.905GHz~0.915GHz、0.950GHz~0.960GHz、1.710GHz~1.785GHz、1.805GHz~1.880GHz、1.880GHz—1.920GHz、1.920GHz~1.980GHz、2.010GHz~2.025 GHz、2.110 GHz~2.170 GHz、2.300GHz~2.400GHz、 2.400GHz~2.4835GHz、2.570GHz~2.620GHz、 3.300GHz~3.400GHz、4.400GHz~4.500GHz、 4.800GHz~4.990GHz、5.725GHz~5.875GHz、 3.100GHz~10.600GHz、11.700GHz~12.200GHz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(shí)別系統(tǒng)工作頻段、超寬帶系統(tǒng)工作頻段、移動(dòng)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)了梯形多縫一六邊形陣列復(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)了光子晶體一六邊形陣列復(fù)合接地板:輻射貼片和接地板結(jié)合,組成了梯形多縫一六邊形陣列復(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(dòng)通信系統(tǒng)頻段、射頻識(shí)別系統(tǒng)頻段、超寬帶通信系統(tǒng)頻段和移動(dòng)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(dòng)通信、射頻識(shí)別、超寬帶通信、移動(dòng)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~14.503GHz的頻率范圍內(nèi),回波損耗值都低于-50 dB,波動(dòng)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。