0 引言

    隨著無線通信技術的飛速發展，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備在寬帶內發現“頻譜空穴”并加以利用。通常，“頻譜空穴”是一些可利用的窄帶。為了發現“頻譜空穴”，其系統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、結構緊湊、剖面低、成本低、易于加工制作等優點，被廣泛應用于認知無線電系統中^[4]。

    然而，在超寬帶頻段中存在其他窄帶業務，例如無限城域網（IEEE 802.16 WiMAX，3.3～3.8 GHz）、無線局域網（IEEE 802.11a WLAN，5.15～5.825 GHz）和X波段衛星通信的下行頻段（7.25～7.75 GHz）等，因此超寬帶天線容易受到其他常用系統信號的干擾^[5]。為了克服常用無線系統的干擾問題，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、多頻帶甚至可重構頻帶內實現帶陷波功能^[6-10]。在文獻[9]中，通過將變容二極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，從而實現了陷波頻段的可重構功能，但是天線的尺寸較大，為30×30×0.8 mm³，限制了天線的應用。在文獻[10]中，兩個PIN二極管被安裝在圓形槽的特定位置上，通過開關二極管可以實現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。

    本文設計了一款新型陷波可重構超寬帶天線，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，可以實現2.9～12 GHz頻段內的三陷波超寬帶特性。為了在3個陷波頻段實現可重構功能，在倒U形槽下面安裝一個二極管，并且在H形槽的兩側分別安裝兩個二極管，通過控制不同的二極管開關，改變了對稱槽的形狀和有效長度，從而實現了WiMAX、WLAN和X波段衛星通信波段下行頻段的可重構陷波特性。此外，由于其可重構結構，天線的陷波頻段可以根據需要進行調節。

1 天線設計

    本文設計的陷波可重構超寬帶天線幾何結構如圖1所示，天線總體尺寸為23×23×1 mm³。介質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，實現了4.6～6 GHz頻段的陷波特性。為了使陷波頻段具有可重構特性，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形槽兩個側邊上。通過控制二極管的開關狀態，對稱槽的形狀和有效長度隨之改變，實現了陷波在3.4～3.9 GHz、4.6～6.0 GHz、6.5～8.2 GHz 3個頻段上可重構。通過高頻結構仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）對設計天線進行仿真和優化，得到了天線的最佳尺寸，如表1所示。

    對稱槽實質上可以看作是一個能實現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，表現為小電容特性，近似看作是開路狀態。

    當D₂導通，D₁和D₃截止時，記為狀態1，此時對稱槽變為由兩個T形和一個倒U形組成的縫隙結構，有效諧振長度為L=2(S₁+S₂)+W₃=38 mm，實現了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2，此時對稱槽變為H形縫隙結構，其有效諧振長度為L=2S₁+W₃=23.6 mm，實現了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3，對稱槽變為C形縫隙結構，有效諧振長度為L=2(S₁-S₃)+W₃=15 mm，實現了X波段衛星通信下行頻段(6.5～8.2 GHz)的陷波特性。

    結合不同的二極管開關狀態就可以將陷波頻段在上述3個頻段之間進行轉換，進而實現陷波可重構特性。通過適當調節對稱槽的長度，可以在其他波段實現陷波特性。圖2中展示了陷波可重構超寬帶天線在不同工作狀態下的仿真駐波比，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，天線的駐波比小于2。

2 天線測試結果

    該天線設計在相對介電常數ε_r為2.2，損耗角正切tanδ為0.001的Rogers 5880介質板上。天線實物如圖3所示。加工制作后，使用Agilent N5230C矢量網絡分析儀和微波暗室遠場測試系統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現，實測結果與仿真結果吻合較好，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境影響導致的。

    圖5中是在D₂導通、D₁和D₃都截止的狀態下，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 結論

    本文提出了一款可應用于認知無線電系統的新型陷波可重構超寬帶縫隙天線。該天線以矩形單極子為基礎，采用改進的矩形輻射貼片和切角的矩形地板來實現超寬帶特性，通過在輻射貼片蝕刻倒U形和H形組成的對稱槽，實現了陷波特性。為了實現陷波可重構，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形槽的兩個側邊上。當二極管設置為不同開關狀態時，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。本文所設計的天線結構簡單、尺寸小、便于加工制作，在認知無線電系統中有潛在應用價值。

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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.中國海上衛星測控部，江蘇 江陰214431）