強(qiáng)抗干擾復(fù)合超寬頻帶天線設(shè)計(jì)

作者 林斌 鄭萍 魏昕煜 潘依郎 洪志杰 李振昌 廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院(福建 漳州 363105)

　　*本文研究工作得到福建省自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2016J01318)、福建省高校杰出青年科研人才培育計(jì)劃項(xiàng)目(閩教科[2017]52號(hào))的資助。

　　林斌，男，1984年5月出生于福建省三明市，2010年畢業(yè)于廈門大學(xué)電子工程系，獲得理學(xué)碩士學(xué)位，同年進(jìn)入廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院任教。副教授職稱，現(xiàn)任廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院黨總支書記，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l器件設(shè)計(jì)、太赫茲波段器件設(shè)計(jì)。

　　鄭萍、魏昕煜、潘依郎、洪志杰、李振昌：廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院本科生，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l器件設(shè)計(jì)。

摘要：本文針對(duì)微波多頻段兼容智能終端對(duì)天線系統(tǒng)的性能要求，將折線螺旋天線、感應(yīng)輻射陣列、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜材料、陶瓷薄片、鐵氧體涂層有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款強(qiáng)抗干擾復(fù)合超寬頻帶天線。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該款天線能夠?qū)怪車姶艌?chǎng)和金屬物體干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)通信、射頻識(shí)別、超寬帶通信和移動(dòng)數(shù)字電視等多個(gè)通信系統(tǒng)的兼容，輻射強(qiáng)度較高，性能冗余較大，是一款具有廣闊應(yīng)用前景的多頻段兼容天線。

0 引言

　　進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，無線通信技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在越來越多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。移動(dòng)通信技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、超寬帶通信技術(shù)、移動(dòng)數(shù)字電視技術(shù)是四種基于無線通信的應(yīng)用技術(shù)，它們的工作頻段都位于微波頻段，對(duì)于終端硬件設(shè)備和通信協(xié)議的要求相似。如果能夠?qū)⒁苿?dòng)通信手機(jī)、射頻識(shí)別讀寫器、超寬帶通信終端、移動(dòng)數(shù)字電視終端整合在一起，就可以實(shí)現(xiàn)微波頻段的多網(wǎng)合一，設(shè)計(jì)出多頻段兼容的“智能終端”^[1-5]。

　　天線的性能好壞決定著無線通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。我國(guó)目前使用的第二代移動(dòng)通信頻段為GSM制式 0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz頻段;第三代移動(dòng)通信頻段為TD-SCDMA制式1.880～1.920 GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz頻段和WCDMA制式 1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz頻段;第四代移動(dòng)通信頻段為TD-LTE制式 2.570～2.620 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：3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz [6-7]。射頻識(shí)別系統(tǒng)有三個(gè)主要的工作頻段：0.902～0.928 GHz、2.400～2.4835 GHz、5.725～5.875 GHz [8-9]。超寬帶系統(tǒng)的工作頻段為3.100～10.600 GHz ^[10-11]。移動(dòng)數(shù)字電視系統(tǒng)工作頻段為11.700～12.200 GHz [12]。微波頻段智能終端天線必須同時(shí)覆蓋上述所有工作頻段，具有多頻段兼容功能，輻射強(qiáng)度較高，性能冗余較大。智能終端天線的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，有可能面對(duì)各種各樣的復(fù)雜電磁環(huán)境，終端內(nèi)部和終端周圍很可能有大量金屬部件。周圍電磁場(chǎng)和金屬物體的雜散輻射會(huì)對(duì)智能終端天線的性能造成較大影響，這就要求智能終端天線具有強(qiáng)抗干擾性能，可以有效屏蔽周圍電磁場(chǎng)和金屬物體的干擾。

1 折線螺旋天線簡(jiǎn)介

　　折線螺旋天線是一種利用疊加原理實(shí)現(xiàn)寬頻帶工作的天線，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。折線螺旋天線由多條彼此呈90度折疊的直線段組成，從外到內(nèi)，每折疊一次直線段的長(zhǎng)度就減少一次。每條直線段的長(zhǎng)度不同，輻射頻率不同，多條工作在不同頻率的直線段的輻射相疊加，可以形成一個(gè)較寬的工作頻段。

2 感應(yīng)輻射陣列簡(jiǎn)介

　　感應(yīng)輻射陣列由多片邊長(zhǎng)漸變的正方形感應(yīng)輻射貼片組成，通常與饋電輻射貼片配合使用。感應(yīng)輻射貼片可以吸收饋電輻射貼片的部分輻射能量，并產(chǎn)生二次輻射。多片正方形感應(yīng)輻射貼片的邊長(zhǎng)按照順時(shí)針的順序逐漸增加，它們的二次輻射頻率也逐漸改變，多片工作在不同頻率的正方形感應(yīng)輻射貼片的輻射相疊加，可以形成一個(gè)較寬的工作頻段。

3 陶瓷薄片-鐵氧體涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

　　低損耗微波陶瓷材料具有較高的介電常數(shù)，在天線結(jié)構(gòu)中添加一層陶瓷薄片可以有效削弱外部電場(chǎng)對(duì)天線輻射的影響。鐵氧體是由鐵的氧化物及其他配料燒結(jié)而成，具有較高的磁導(dǎo)率，在天線結(jié)構(gòu)中添加一層鐵氧體涂層可以有效屏蔽外界磁場(chǎng)對(duì)天線輻射的影響。將陶瓷薄片和鐵氧體涂層組合在一起，可以有效阻止天線周圍環(huán)境電磁場(chǎng)和金屬物體雜散輻射對(duì)天線輻射的干擾，保證天線具有強(qiáng)抗干擾性能。

4 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在設(shè)計(jì)中，使用PET薄膜作為天線基質(zhì)材料，它的形狀為正方形，尺寸是30 mm×30 mm，厚度為0.2 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.0。PET薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性非常好，具有很好的耐腐蝕性能，可以保證天線有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)。

　　天線整體分層截面結(jié)構(gòu)如圖2所示，天線結(jié)構(gòu)第一層是折線螺旋-感應(yīng)陣列復(fù)合輻射貼片，第二層是PET薄膜，第三層是導(dǎo)電墨水印制的接地板，第四層是防止外部電場(chǎng)干擾的陶瓷薄片，第五層是防止外部磁場(chǎng)干擾的鐵氧體涂層。

　　折線螺旋-感應(yīng)陣列復(fù)合輻射貼片結(jié)構(gòu)如圖3所示。其整體是一個(gè)邊長(zhǎng)為30 mm的方形，劃分為三行三列，共九個(gè)小方形。中央的小方形區(qū)域放置折線螺旋饋電天線，周圍的小方形區(qū)域放置八個(gè)方形感應(yīng)天線，饋電點(diǎn)位于復(fù)合輻射貼片的幾何中心。折線螺旋饋電天線由10條線段組成，從外到內(nèi)，每條線段的長(zhǎng)度逐漸減小，10條線段的長(zhǎng)度分別為：10 mm、9 mm、8 mm、7 mm、6 mm、5 mm、4 mm、3 mm、2 mm、1 mm;相鄰兩條線段的夾角為90度，每條線段的寬度為1 mm。八個(gè)方形感應(yīng)天線的邊長(zhǎng)，從位于左上角的方形感應(yīng)天線開始，按照順時(shí)針的順序逐漸增加，八個(gè)方形感應(yīng)天線的邊長(zhǎng)分別為：1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm。

　　位于復(fù)合輻射貼片中心的折線螺旋饋電天線由10條彼此呈90度折疊的直線段組成，從外到內(nèi)，每折疊一次直線段的長(zhǎng)度就減少1 mm，最外側(cè)的直線段長(zhǎng)度為10 mm，最內(nèi)側(cè)的直線段長(zhǎng)度為1 mm。每條直線段的長(zhǎng)度不同，輻射頻率不同，10條工作在不同頻率的直線段的輻射相疊加，可以形成一個(gè)較寬的工作頻段。位于復(fù)合輻射貼片外圍的八個(gè)方形感應(yīng)天線組成感應(yīng)輻射陣列，它們可以吸收折線螺旋饋電天線的部分輻射能量，并產(chǎn)生二次輻射。八個(gè)方形感應(yīng)天線的邊長(zhǎng)按照順時(shí)針的順序逐漸增加，它們的二次輻射頻率也逐漸改變，八個(gè)工作在不同頻率的方形感應(yīng)天線的輻射相疊加，也可以形成一個(gè)較寬的工作頻段。折線螺旋饋電天線和感應(yīng)輻射陣列都具有寬頻帶工作特性，它們的輻射相疊加，可以得到一個(gè)輻射強(qiáng)度和帶寬性能都較好的超寬工作頻段。

　　薄膜基質(zhì)下方的陶瓷薄片為低損耗微波陶瓷薄片，其形狀為正方形，尺寸是30 mm×30 mm，厚度為0.5 mm，相對(duì)介電常數(shù)為55。鐵氧體涂層的尺寸與陶瓷薄片的尺寸相同，所用鐵氧體是軟磁鐵氧體。

　　天線輻射結(jié)構(gòu)和接地板由石墨烯導(dǎo)電墨水印制而成。石墨烯具有很高的電子遷移率，能夠容納強(qiáng)度很高的射頻電流，以石墨烯導(dǎo)電墨水印制天線輻射貼片和接地板，可以增強(qiáng)天線內(nèi)部的射頻電流強(qiáng)度，提高天線輻射強(qiáng)度。同時(shí)天線輻射貼片中沒有金屬，不易被腐蝕，天線的工作穩(wěn)定性也會(huì)得到提高。

5 天線樣品測(cè)試

　　根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，我們制作了天線樣品，測(cè)試了它的輻射性能和方向圖性能，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4和圖5所示。

　　從圖4可知，該款天線能夠工作于0.526～14.832 GHz，工作帶寬為14.306 GHz，帶寬倍頻程為28.19，回波損耗最小值為-54.38 dB。天線放置在移動(dòng)通信基站附近或貼覆在金屬板上時(shí)，輻射特性基本不變。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，該款天線完全覆蓋了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)別頻段、超寬帶通信頻段和移動(dòng)數(shù)字電視頻段。

　　從圖5可知，該款天線具有良好的空間全方向工作能力。

　　該款天線與普通的微波多頻段天線相比，具有較大的性能優(yōu)勢(shì)，該款天線結(jié)構(gòu)中使用了高介電常數(shù)陶瓷薄片和高磁導(dǎo)率鐵氧體涂層，天線具有強(qiáng)抗干擾性能，能夠?qū)怪車姶艌?chǎng)和金屬物體干擾，即使放置在移動(dòng)通信基站附近或直接貼覆在金屬板上，也能夠正常工作;該款天線具有優(yōu)異的寬頻帶工作特性，工作帶寬達(dá)到14.306 GHz，帶寬倍頻程達(dá)到28.19，用一個(gè)超寬的工作頻段就實(shí)現(xiàn)了對(duì)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)字電視頻段的全覆蓋;該款天線回波損耗值在工作頻帶內(nèi)變化較為平穩(wěn)，在工作頻帶內(nèi)的大部分區(qū)域，天線回波損耗值都低于-50 dB，天線性能冗余較大;該款天線使用PET薄膜作為基質(zhì)材料，使用石墨烯導(dǎo)電墨水印制輻射貼片和接地板，具有很好的抗腐蝕性能。

6 結(jié)論

　　本文針對(duì)微波多頻段兼容智能終端對(duì)天線系統(tǒng)的性能要求，設(shè)計(jì)了一款強(qiáng)抗干擾復(fù)合超寬頻帶天線，將具有寬頻帶工作特性的折線螺旋饋電天線和感應(yīng)輻射陣列相結(jié)合，組成折線螺旋-感應(yīng)陣列復(fù)合輻射貼片，兼具二者的優(yōu)點(diǎn)，保證天線同時(shí)具有較高的輻射強(qiáng)度和較大的工作帶寬。使用PET薄膜作為天線基質(zhì)材料，保證天線具有較好抗腐蝕性和穩(wěn)定的物理、化學(xué)特性。在天線結(jié)構(gòu)中使用陶瓷薄片和鐵氧體涂層，有效降低外界電磁場(chǎng)對(duì)天線輻射的干擾。使用石墨烯導(dǎo)電墨水印制天線輻射貼片和接地板，進(jìn)一步增強(qiáng)了天線的輻射強(qiáng)度。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，該款天線能夠?qū)怪車姶艌?chǎng)和金屬物體干擾，具有超寬頻帶工作特性，工作頻帶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，輻射強(qiáng)度較高、性能冗余較大，是一款具有廣闊應(yīng)用前景的多頻段兼容天線。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] Guan L, Rulikowski P, Kearney R. Flexible Practical Multi-band Large Scale Antenna System Architecture for 5G Wireless Networks[J]. Electronics Letters, 2016, 52(11): 970-972.

　　[2] Huang Y M, Leung V C M, Lai C F, et al. Reconfigurable Software Defined Radio in 5g Mobile Communication Systems [J]. IEEE Wireless Communications, 2015, 22(6): 12-14.

　　[3] He J L, Xu Y J, Xu Z Q. Secure and Private Protocols for Server-less RFID Systems [J]. International Journal of Control and Automation, 2014, 7(2): 131-142.

　　[4] Wei X, Mei T, Yu L, et al. Triple Band-notched UWB Monopole Antenna on Ultra-thin Liquid Crystal Polymer Based on ESCSRR [J]. Electronics Letters, 2017, 53(2): 57-58.

　　[5] Yeo J, Lee J I. CPW-fed Wideband Loop Antenna for Indoor Digital TV Applications [J]. Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, 2017, 21(8): 1492-1497.

　　[6] Bekali Y K, Essaaidi M. Compact Reconfigurable Dual Frequency Microstrip Patch Antenna for 3G And 4G Mobile Communication Technologies [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2013, 55(7): 1622-1626.

　　[7] Qian M, Wang Y, Zhou Y, et al. A Super Base Station Based Centralized Network Architecture for 5G Mobile Communication Systems [J]. Digital Communications and Networks, 2015, 1(2): 152-159.

　　[8] Ma D, Saxena N. A Context-aware Approach to Defend Against Unauthorized Reading and Relay Attacks in RFID Systems [J]. Security and Communication Networks, 2014, 7(12): 2684-2695.

　　[9] Wang C F, Zhong S M, Wang J. Design of Abnormal Data Analysis and Processing System Based on RFID Supply Chain [J]. International Journal of Multimedia and Ubiquitous Engineering, 2014, 9(11): 349-360.

　　[10] Dastranj A. Optimization of a Printed UWB Antenna: Application of the Invasive Weed Optimization Algorithm in Antenna Design [J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2017, 59(1): 48-57.

　　[11] Khalid S, Wen W P, Cheong L Y. Synthesis Design of UWB Bandpass Filter Using Multiple Resonance Resonator (MRR) [J]. Electronics Letters, 2014, 50(24): 1851-1853.

　　[12] Liao W J, Chou S H, Chen Y A, et al. Frequency Reconfigurable Antenna for VHF/UHF Digital TV Reception on Portable Devices Using Switching Matching Networks [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2017, 59(11): 2800-2806.

本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第34頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。