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  • 《电子技术应用》
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    用于认知无线电系统的陷波可重构超宽带天线
    2019年电子技术应用第3期
    吕昕梦1,蒋炫佑1,马文韬1,何琬冰2
    1.陆军工程大学 通信工程学院,江苏 南京210000;2.中国海上卫星测控部,江苏 江阴214431
    摘要: 提出了一种可应用于认知无线电系统的新型陷波可重构超宽带缝隙天线,以改进矩形单极子天线为基本模型,采用切角的矩形地板,实现了2.9~12 GHz的超宽带特性。在改进的矩形辐射片上蚀刻由倒U形和H形组成的对称折叠槽,实现了陷波特性。通过切换3个PIN二极管的状态来改变折叠槽的形状和有效长度,实现了3个频段陷波可重构功能。该天线结构紧凑,便于加工制作,在认知无线电系统中有潜在应用价值。仿真和实测结果表明,该天线具有良好的辐射特性,在WiMAX(3.4~3.9 GHz)、WLAN(4.6~6.0 GHz)和X波段卫星通信(6.5~8.2 GHz)下行链路范围内具有3个可重构的频带陷波功能。
    中图分类号: TN822
    文献标识码: A
    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182938
    中文引用格式: 吕昕梦,蒋炫佑,马文韬,等. 用于认知无线电系统的陷波可重构超宽带天线[J].电子技术应用,2019,45(3):59-62.
    英文引用格式: Lv Xinmeng,Jiang Xuanyou,Ma Wentao,et al. A novel reconfigurable band-notched ultra-wideband slot antenna for cognitive radio systems[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(3):59-62.
    A novel reconfigurable band-notched ultra-wideband slot antenna for cognitive radio systems
    Lv Xinmeng1,Jiang Xuanyou1,Ma Wentao1,He Wanbing2
    1.College of Communications Engineering,Army Engineering University,Nanjing 210000,China; 2.China Satellite Marine Track & Control Department,Jiangyin 214431,China
    Abstract: A novel printed ultra-wideband(UWB) slot antenna with reconfigurable band-notched characteristics for cognitive radio(CR) applications is presented. An improved rectangular monopole antenna is used as the basic model and a tangential rectangular floor is used to realize the ultra-wideband characteristics of 2.9~12 GHz. The band-notched function is achieved by etching one symmetric folded slot which consists of an inverted U-shaped slot and H-shaped slot on the modified rectangular radiation patch. By switching the pin-diodes to change the shape and effective length of the folded slot, the reconfigurable function is achieved. The antenna is compact and easy to process, and has potential application in CR system. Simulated and measured results obtained for the antenna show that it exhibits good radiation behavior and also has three reconfigurable frequency band-notched functions in the range of WiMAX(3.4~3.9 GHz), WLAN(4.6~6.0 GHz) and downlink of X-band satellite communication(6.5~8.2 GHz).
    Key words : ultra-wideband(UWB) antenna;band-notched;reconfigurable;cognitive radio(CR) system

    0 引言

        随着无线通信技术的飞速发展,频谱资源越来越稀缺。为了提高频谱利用率、减少频谱资源浪费、缓解使用压力,学者们提出了认知无线电的概念[1],其核心思想是使无线通信设备在宽带内发现“频谱空穴”并加以利用。通常,“频谱空穴”是一些可利用的窄带。为了发现“频谱空穴”,其系统需要一个工作频段很宽的天线作为“扫描天线”来扫描频谱,以获得可用频段[2-3]。超宽带天线以其具有良好的全向辐射特性、频带宽、结构紧凑、剖面低、成本低、易于加工制作等优点,被广泛应用于认知无线电系统中[4]。

        然而,在超宽带频段中存在其他窄带业务,例如无限城域网(IEEE 802.16 WiMAX,3.3~3.8 GHz)、无线局域网(IEEE 802.11a WLAN,5.15~5.825 GHz)和X波段卫星通信的下行频段(7.25~7.75 GHz)等,因此超宽带天线容易受到其他常用系统信号的干扰[5]。为了克服常用无线系统的干扰问题,研究人员提出了具有带陷波功能的各种超宽带天线,这些天线可以在单频带、多频带甚至可重构频带内实现带陷波功能[6-10]。在文献[9]中,通过将变容二极管放置于天线槽线上的某个位置,给二极管加载不同幅值的直流电压来改变其电容值,从而实现了陷波频段的可重构功能,但是天线的尺寸较大,为30×30×0.8 mm3,限制了天线的应用。在文献[10]中,两个PIN二极管被安装在圆形槽的特定位置上,通过开关二极管可以实现单陷波和双陷波特性。但由于圆形槽的对称性使得二极管的位置不好确定。

        本文设计了一款新型陷波可重构超宽带天线,该天线以改进的矩形单极子天线为基本模型,通过在辐射贴片上蚀刻倒U形槽和H形槽组成对称槽开关,可以实现2.9~12 GHz频段内的三陷波超宽带特性。为了在3个陷波频段实现可重构功能,在倒U形槽下面安装一个二极管,并且在H形槽的两侧分别安装两个二极管,通过控制不同的二极管开关,改变了对称槽的形状和有效长度,从而实现了WiMAX、WLAN和X波段卫星通信波段下行频段的可重构陷波特性。此外,由于其可重构结构,天线的陷波频段可以根据需要进行调节。

    1 天线设计

        本文设计的陷波可重构超宽带天线几何结构如图1所示,天线总体尺寸为23×23×1 mm3。介质板上层为改进的矩形单极子辐射贴片和微带馈线,馈线的宽度为2 mm以保证其特性阻抗为50 Ω,介质板的下层为切角的矩形地板。在上层辐射贴片上蚀刻倒U形和H形对称槽缝,实现了4.6~6 GHz频段的陷波特性。为了使陷波频段具有可重构特性,引入3个PIN二极管,其中一个放置于倒U形槽底部,另外两个分别安装在H形槽两个侧边上。通过控制二极管的开关状态,对称槽的形状和有效长度随之改变,实现了陷波在3.4~3.9 GHz、4.6~6.0 GHz、6.5~8.2 GHz 3个频段上可重构。通过高频结构仿真软件(High Frequency Structure Simulator,HFSS)对设计天线进行仿真和优化,得到了天线的最佳尺寸,如表1所示。

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        对称槽实质上可以看作是一个能实现陷波功能的半波长谐振单元。将3个PIN二极管分别安装在图1中的合适位置,用黑色的小矩形块表示,分别命名为D1、D2和D3。给二极管加正向电压时,二极管导通,表现为小电阻特性,因而近似看作通路;反之,给二极管加反向电压时,二极管截止,表现为小电容特性,近似看作是开路状态。

        当D2导通,D1和D3截止时,记为状态1,此时对称槽变为由两个T形和一个倒U形组成的缝隙结构,有效谐振长度为L=2(S1+S2)+W3=38 mm,实现了WiMAX(3.4~3.9 GHz)频段的陷波特性;当3个二极管都截止时,记为状态2,此时对称槽变为H形缝隙结构,其有效谐振长度为L=2S1+W3=23.6 mm,实现了WLAN(4.6~6.0 GHz)频段的陷波特性;当D1和D3导通,D2截止,此时记为状态3,对称槽变为C形缝隙结构,有效谐振长度为L=2(S1-S3)+W3=15 mm,实现了X波段卫星通信下行频段(6.5~8.2 GHz)的陷波特性。

        结合不同的二极管开关状态就可以将陷波频段在上述3个频段之间进行转换,进而实现陷波可重构特性。通过适当调节对称槽的长度,可以在其他波段实现陷波特性。图2中展示了陷波可重构超宽带天线在不同工作状态下的仿真驻波比,在陷波频段,天线驻波比大于2,同时在工作频段(2.9~12 GHz)的其他频段范围内,天线的驻波比小于2。

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    2 天线测试结果

        该天线设计在相对介电常数εr为2.2,损耗角正切tanδ为0.001的Rogers 5880介质板上。天线实物如图3所示。加工制作后,使用Agilent N5230C矢量网络分析仪和微波暗室远场测试系统分别测试了天线的驻波比和远场特性,并进行了分析比较。

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        天线在不同工作状态下的实测驻波比曲线如图4所示。与图2中的仿真曲线进行对比发现,实测结果与仿真结果吻合较好,但有稍微抖动,这是由于加工误差、SMA接头的焊接误差以及测试环境影响导致的。

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        图5中是在D2导通、D1和D3都截止的状态下,该天线在4 GHz和6 GHz频率时xoz面以及yoz面的仿真和实测方向图。在其他状态下,该天线的方向图与之类似。从图中可以看出,天线在yoz面的辐射方向图呈“8”字形,在xoz面则呈全向辐射特性,仿真和测试结果吻合较好,天线主极化纯度较高,交叉极化较低,从仿真和实测结果来看天线的辐射特性类似于普通单极子天线的辐射特性。

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        天线在3种工作状态下的实测增益如图6所示,从图中可以看出,在3.4~3.9 GHz、4.6~6.0 GHz和6.5~8.2 GHz频段天线的实测增益均为负值,形成了较大衰减,实现了陷波特性,在除陷波频段外的其他工作频段增益均保持在0 dB以上,在不影响超宽带频率范围通信的同时有效地抑制了常用信号的干扰。

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    3 结论

        本文提出了一款可应用于认知无线电系统的新型陷波可重构超宽带缝隙天线。该天线以矩形单极子为基础,采用改进的矩形辐射贴片和切角的矩形地板来实现超宽带特性,通过在辐射贴片蚀刻倒U形和H形组成的对称槽,实现了陷波特性。为了实现陷波可重构,引入了3个PIN二极管,其中一个安装在倒U形槽底部,另外两个二极管分别安装在H形槽的两个侧边上。当二极管设置为不同开关状态时,对称槽的形状和有效长度随之改变,从而使得陷波频段在3.4~3.9 GHz、4.6~6.0 GHz和6.5~8.2 GHz频段上可重构。本文所设计的天线结构简单、尺寸小、便于加工制作,在认知无线电系统中有潜在应用价值。

    参考文献

    [1] 陈松,王盛,胡捍英.认知无线电系统容量性能分析[J].电子技术应用,2015,41(6):95-98.

    [2] JIN G P,ZHANG D L,LI R L.Optically controlled recon-figurable antenna for cognitive radio applications[J].Electronics Letters,2011,47(17):948-950.

    [3] ZHENG S H,LIU X Y,TENTZERIS M M.Optically controlled reconfigurable band-notched UWB antenna for cognitive radio systems[J].Electronics Letters,2014,50(21):1502-1504.

    [4] 尹航,汪敏,吴文.一种基于平面八木天线的小型化宽带滤波天线[J].电子技术应用,2017,43(11):103-106.

    [5] KALTEH A A,DADASHZADEH G R,NASER-MOGHADASI M,et al.Ultra-wideband circular slot antenna with reconfigurable notch band function[J].IET Microwaves Antennas & Propagation,2012,6(1):108-112.

    [6] NIKOLAOU S,KINGSLEY N D,PONCHAK G E,et al.UWB elliptical monopoles with a reconfigurable band notch using MEMS switches actuated without bias lines[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2009,57(8):2242-2251.

    [7] VALIZADE A,GHOBADI C,NOURINIA J,et al.A novel design of reconfigurable slot antenna with switchable band notch and multiresonance functions for UWB applications[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2013,55(3):652-656.

    [8] XU J,SHEN D,ZHANG X,et al.A compact disc ultra-wideband(UWB) antenna with quintuple band rejections[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2013,11(4):1517-1520.

    [9] AGHDAM S A.Reconfigurable antenna with a diversity filtering band feature utilizing active devices for communication systems[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2013,61(10):5223-5228.

    [10] TASOUJI N,NOURINIA J,GHOBADI C,et al.A novel printed UWB slot antenna with reconfigurable band-notch characteristics[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2013,12(4):922-925.



    作者信息:

    吕昕梦1,蒋炫佑1,马文韬1,何琬冰2

    (1.陆军工程大学 通信工程学院,江苏 南京210000;2.中国海上卫星测控部,江苏 江阴214431)

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