0 引言

    隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源越來越稀缺,。為了提高頻譜利用率,、減少頻譜資源浪費、緩解使用壓力,，學者們提出了認知無線電的概念^[1],，其核心思想是使無線通信設(shè)備在寬帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”并加以利用。通常,，“頻譜空穴”是一些可利用的窄帶,。為了發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”，其系統(tǒng)需要一個工作頻段很寬的天線作為“掃描天線”來掃描頻譜,，以獲得可用頻段^[2-3],。超寬帶天線以其具有良好的全向輻射特性、頻帶寬,、結(jié)構(gòu)緊湊,、剖面低、成本低,、易于加工制作等優(yōu)點,，被廣泛應(yīng)用于認知無線電系統(tǒng)中^[4]。

    然而,，在超寬帶頻段中存在其他窄帶業(yè)務(wù),，例如無限城域網(wǎng)（IEEE 802.16 WiMAX，3.3～3.8 GHz）,、無線局域網(wǎng)（IEEE 802.11a WLAN,，5.15～5.825 GHz）和X波段衛(wèi)星通信的下行頻段（7.25～7.75 GHz）等,，因此超寬帶天線容易受到其他常用系統(tǒng)信號的干擾^[5]。為了克服常用無線系統(tǒng)的干擾問題,，研究人員提出了具有帶陷波功能的各種超寬帶天線,，這些天線可以在單頻帶、多頻帶甚至可重構(gòu)頻帶內(nèi)實現(xiàn)帶陷波功能^[6-10],。在文獻[9]中,，通過將變?nèi)荻O管放置于天線槽線上的某個位置，給二極管加載不同幅值的直流電壓來改變其電容值,，從而實現(xiàn)了陷波頻段的可重構(gòu)功能,，但是天線的尺寸較大，為30×30×0.8 mm³,，限制了天線的應(yīng)用,。在文獻[10]中，兩個PIN二極管被安裝在圓形槽的特定位置上,，通過開關(guān)二極管可以實現(xiàn)單陷波和雙陷波特性,。但由于圓形槽的對稱性使得二極管的位置不好確定。

    本文設(shè)計了一款新型陷波可重構(gòu)超寬帶天線,，該天線以改進的矩形單極子天線為基本模型,，通過在輻射貼片上蝕刻倒U形槽和H形槽組成對稱槽開關(guān)，可以實現(xiàn)2.9～12 GHz頻段內(nèi)的三陷波超寬帶特性,。為了在3個陷波頻段實現(xiàn)可重構(gòu)功能,，在倒U形槽下面安裝一個二極管，并且在H形槽的兩側(cè)分別安裝兩個二極管,，通過控制不同的二極管開關(guān),，改變了對稱槽的形狀和有效長度，從而實現(xiàn)了WiMAX,、WLAN和X波段衛(wèi)星通信波段下行頻段的可重構(gòu)陷波特性,。此外，由于其可重構(gòu)結(jié)構(gòu),，天線的陷波頻段可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié),。

1 天線設(shè)計

    本文設(shè)計的陷波可重構(gòu)超寬帶天線幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線總體尺寸為23×23×1 mm³,。介質(zhì)板上層為改進的矩形單極子輻射貼片和微帶饋線,，饋線的寬度為2 mm以保證其特性阻抗為50 Ω，介質(zhì)板的下層為切角的矩形地板,。在上層輻射貼片上蝕刻倒U形和H形對稱槽縫,，實現(xiàn)了4.6～6 GHz頻段的陷波特性。為了使陷波頻段具有可重構(gòu)特性,，引入3個PIN二極管,，其中一個放置于倒U形槽底部,，另外兩個分別安裝在H形槽兩個側(cè)邊上。通過控制二極管的開關(guān)狀態(tài),，對稱槽的形狀和有效長度隨之改變,，實現(xiàn)了陷波在3.4～3.9 GHz、4.6～6.0 GHz,、6.5～8.2 GHz 3個頻段上可重構(gòu),。通過高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）對設(shè)計天線進行仿真和優(yōu)化,，得到了天線的最佳尺寸,，如表1所示。

    對稱槽實質(zhì)上可以看作是一個能實現(xiàn)陷波功能的半波長諧振單元,。將3個PIN二極管分別安裝在圖1中的合適位置,，用黑色的小矩形塊表示，分別命名為D₁,、D₂和D₃,。給二極管加正向電壓時，二極管導通,，表現(xiàn)為小電阻特性,，因而近似看作通路,；反之,，給二極管加反向電壓時，二極管截止,，表現(xiàn)為小電容特性,，近似看作是開路狀態(tài)。

    當D₂導通,，D₁和D₃截止時,，記為狀態(tài)1，此時對稱槽變?yōu)橛蓛蓚€T形和一個倒U形組成的縫隙結(jié)構(gòu),，有效諧振長度為L=2(S₁+S₂)+W₃=38 mm,，實現(xiàn)了WiMAX(3.4～3.9 GHz)頻段的陷波特性；當3個二極管都截止時,，記為狀態(tài)2,，此時對稱槽變?yōu)镠形縫隙結(jié)構(gòu)，其有效諧振長度為L=2S₁+W₃=23.6 mm,，實現(xiàn)了WLAN(4.6～6.0 GHz)頻段的陷波特性,；當D₁和D₃導通，D₂截止,，此時記為狀態(tài)3,，對稱槽變?yōu)镃形縫隙結(jié)構(gòu),，有效諧振長度為L=2(S₁-S₃)+W₃=15 mm，實現(xiàn)了X波段衛(wèi)星通信下行頻段(6.5～8.2 GHz)的陷波特性,。

    結(jié)合不同的二極管開關(guān)狀態(tài)就可以將陷波頻段在上述3個頻段之間進行轉(zhuǎn)換,，進而實現(xiàn)陷波可重構(gòu)特性。通過適當調(diào)節(jié)對稱槽的長度,，可以在其他波段實現(xiàn)陷波特性,。圖2中展示了陷波可重構(gòu)超寬帶天線在不同工作狀態(tài)下的仿真駐波比，在陷波頻段,，天線駐波比大于2,，同時在工作頻段(2.9～12 GHz)的其他頻段范圍內(nèi)，天線的駐波比小于2,。

2 天線測試結(jié)果

    該天線設(shè)計在相對介電常數(shù)ε_r為2.2,，損耗角正切tanδ為0.001的Rogers 5880介質(zhì)板上。天線實物如圖3所示,。加工制作后,，使用Agilent N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波暗室遠場測試系統(tǒng)分別測試了天線的駐波比和遠場特性，并進行了分析比較,。

    天線在不同工作狀態(tài)下的實測駐波比曲線如圖4所示,。與圖2中的仿真曲線進行對比發(fā)現(xiàn)，實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,，但有稍微抖動,，這是由于加工誤差、SMA接頭的焊接誤差以及測試環(huán)境影響導致的,。

    圖5中是在D₂導通,、D₁和D₃都截止的狀態(tài)下，該天線在4 GHz和6 GHz頻率時xoz面以及yoz面的仿真和實測方向圖,。在其他狀態(tài)下,，該天線的方向圖與之類似。從圖中可以看出,，天線在yoz面的輻射方向圖呈“8”字形,，在xoz面則呈全向輻射特性，仿真和測試結(jié)果吻合較好,，天線主極化純度較高,，交叉極化較低，從仿真和實測結(jié)果來看天線的輻射特性類似于普通單極子天線的輻射特性,。

    天線在3種工作狀態(tài)下的實測增益如圖6所示,，從圖中可以看出，在3.4～3.9 GHz、4.6～6.0 GHz和6.5～8.2 GHz頻段天線的實測增益均為負值,，形成了較大衰減,，實現(xiàn)了陷波特性，在除陷波頻段外的其他工作頻段增益均保持在0 dB以上,，在不影響超寬帶頻率范圍通信的同時有效地抑制了常用信號的干擾,。

3 結(jié)論

    本文提出了一款可應(yīng)用于認知無線電系統(tǒng)的新型陷波可重構(gòu)超寬帶縫隙天線。該天線以矩形單極子為基礎(chǔ),，采用改進的矩形輻射貼片和切角的矩形地板來實現(xiàn)超寬帶特性,，通過在輻射貼片蝕刻倒U形和H形組成的對稱槽，實現(xiàn)了陷波特性,。為了實現(xiàn)陷波可重構(gòu),，引入了3個PIN二極管，其中一個安裝在倒U形槽底部,，另外兩個二極管分別安裝在H形槽的兩個側(cè)邊上,。當二極管設(shè)置為不同開關(guān)狀態(tài)時，對稱槽的形狀和有效長度隨之改變,，從而使得陷波頻段在3.4～3.9 GHz,、4.6～6.0 GHz和6.5～8.2 GHz頻段上可重構(gòu)。本文所設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)簡單,、尺寸小,、便于加工制作，在認知無線電系統(tǒng)中有潛在應(yīng)用價值,。

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作者信息:

呂昕夢1，蔣炫佑1,，馬文韜1,，何琬冰2

（1.陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京210000,；2.中國海上衛(wèi)星測控部,，江蘇 江陰214431）