梯形多缝一六边形阵列复合超宽频带天线

林斌 林智鹏

摘要：针对微波频段多网合一系统对超宽频带天线的性能要求，将梯形多缝辐射结构、光子晶体结构、六边形阵列结构巧妙融合，设计了一款梯形多缝一六边形阵列复合超宽频带天线，制作了天线样品并实际测试了天线工作性能。实测结果表明，该款天线具有微波频段多频段兼容功能，能够超宽频带工作，能够完全覆盖第二代至第五代移动通信频段、射频识别频段、超宽带通信频段和移动数字电视频段，辐射性能较好，有较大性能冗余，在多网合一系统中有较大应用前景。

关键词：梯形多缝天线；光子晶体结构；六边形阵列；超宽频带天线

DOI： 10.396 9/j.issn.1005-5 517.201 8.7.008

0 引言

21世纪是无线通信领域高速进步的时期，各种不同制式的无线通信系统正在得到广泛的应用。移动通信、射频识别、超宽带通信、移动数字电视都是工作在微波频段的无线通信应用系统，对终端硬件设备和通信协议的要求相似，具有很大的整合潜力[1-6]。如果一款无线通信终端能够同时覆盖移动通信系统频段、射频识别系统频段、超宽带通信系统频段和移动数字电视系统频段，就能够实现在微波频段的多网合一。

我国目前正在同时使用多代移动通信系统。我国使用的第二代移动通信频段为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频段；第三代移动通信频段为TD-SCDMA制式1.880 GHz～1.920 GHz、2.010GHz～2.025 GHz、2.300 GHz～2.400 GHz频段和WCDMA制式1.920 GHz～1.980 GHz、2.110GHz～2.170 GHz频段；第四代移动通信频段为TD-LTE制式2.570 GHz～2.620 GHz频段；即将投入使用的第五代移动通信有三个候选频段，分别为：3.300GHz～3.400 GHz、4.400 GHz～4.500 GHz、4.800GHz～4.990 GHz[7-8]。射频识别系统有三个主要的工作频段：0.902 GHz～0.928 GHz、2.400 GHz～2.4835GHz、5.725 GHz～5.875 GHz[9-10]。超宽带系统的工作频段为3.100 GHz～10.600 GHz[11]。移动数字电视系统工作频段为11.700 GHz～12.200 GHz[12]。一款微波频段的多网合一无线通信终端天线应该能够同时覆盖上述所有工作频段，并满足回波损耗低、在各个工作频段辐射性能均匀稳定等要求。

1 梯形多缝天线简介

梯形多缝天线是一种具有较好的宽频带工作性能的多缝天线，其结构如图1所示。梯形多缝天线利用多条辐射缝隙工作频段叠加实现宽频工作，它由3条以上直线缝隙组成，从上到下，直线缝隙的长度逐渐增加。每条直线缝隙的长度不同，工作频带不同，多条直线缝隙的辐射叠加，可以形成一个工作带宽较大的工作频带。

2 六边形光子晶体结构简介

六边形光子晶体结构如图2所示。把一个金属六边形结构分为12个直角三角形，在每个直角三角形的中心位置挖出一个直角三角形孔，让直角三角形孔周期性地分布在金属六边形结构中，可以构成六边形光子晶体结构，其产生的光子带隙会部分阻止一定频率的微波信号的传播。经过合理设计，可以让光子晶体结构产生的光子带隙位于天线工作频段中，这样天线在原工作频段的辐射会被部分阻止，而在邻近的频段产生辐射，从而增大天线的工作带宽。

3 六边形阵列结构简介

六边形阵列结构是一种基于仿生学原理提出的天线阵列排布结构，其排列方式如图3所示。仿生学是一门全新的跨学科应用科学，它的研究对象是生物体具有功能性的组成结构，并将其原理应用到工业设计之中，发明模仿生物组织、器官、巢穴工作原理，具有优良性能的仪器设备。六边形阵列结构是模仿自然界中蜂巢结构的仿生结构，由六个正六边形围绕一个正六边形组成，其空间利用率高，且极其坚固，具有很高的机械强度和很好的抗破坏性。六边形阵列结构是一种完美对称结构，射频电流在其内部可以均匀分布，使用六边形阵列结构设计阵列天线可以保证天线具有超宽频带工作特性。

4 梯形多缝一六边形阵列复合超宽频带天线结构设计

在设计中，使用低损耗微波陶瓷基板作为天线的介质基板，其相对介电常数为50，基板的形状为矩形，尺寸是40mm×41.6mm，厚度为1mm。微波陶瓷基板的正面贴覆有天线的梯形多缝一六边形阵列复合辐射贴片，其结构如图4所示。微波陶瓷基板的背面贴覆有天线的光子晶体一六边形阵列复合接地板，其结构如图5所示。

梯形多缝一六边形阵列复合辐射贴片使用六边形阵列结构作为基本结构，将六边形阵列中的每个边长为8.0mm的正六边形区域划分为2个等腰梯形区域，并用梯形多缝小天线填充14个等腰梯形区域。梯形多缝小天线是在一个上底长度为8.0mm、下底长度为16.0mm的金属等腰梯形上开出7条直线缝隙得到，各条直线缝隙都与梯形的上下底边平行，缝隙宽度为0.5mm。梯形多缝一六边形阵列复合辐射贴片的底部边沿中心设有天线馈电点。

光子晶体一六边形阵列复合接地板使用六边形阵列结构作为基本结构，将六边形阵列中的每个边长为8.0mm的正六边形区域划分为12个直角三角形区域，并用空心直角三角形填充84个直角三角形區域，组成光子晶体接地板。空心直角三角形是在每个金属直角三角形的中心位置，挖出直角三角形孔而得到。三角形孔的各边的长度为金属直角三角形各边的长度的一半。

梯形多缝一六边形阵列复合天线很好地将梯形多缝天线和六边形阵列结构的优点结合起来，梯形多缝天线通过多条不同长度的缝隙的辐射叠加，保证天线有较高的辐射强度和较大的工作带宽。六边形阵列结构的完美对称，使射频电流在天线内部均匀分布，增大了天线的工作带宽并保证天线在各个工作频段的辐射性能均匀稳定。光子晶体一六边形阵列复合接地板利用产生的光子带隙进一步拓展了天线的工作频段，使天线具有优异的超宽频段工作性能。

5 梯形多缝一六边形阵列复合超宽频带天线样品测试

根据上述设计，我们制作了天线样品，并测试了它的辐射性能和方向图性能，实测结果如图6和图7所示。

从图6可知，该款天线的工作频带范围为0.538GHz～15.131GHz，工作带宽为14.593GHz，带宽倍频程为28.12，在整个工作频带内天线回波损耗都低于-10dB，回波损耗最小值为-51.69dB。实测结果显示，该款天线完全覆盖了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动通信所有制式所有工作频段、射频识别系统工作频段、超宽带系统工作频段、移动数字电视系统工作频段。

从图7可知，该款天线的电面和磁面都具有良好的空间全角度工作能力。

6 结论

本文针对四种微波频段无线通信应用系统对微波频段多网合一天线的性能要求，将梯形多缝天线和六边形阵列结构相结合，设计了梯形多缝一六边形阵列复合辐射贴片；将六边形光子晶体结构和六边形阵列结构相结合，设计了光子晶体一六边形阵列复合接地板：辐射贴片和接地板结合，组成了梯形多缝一六边形阵列复合超宽频带天线。实测结果显示，该款天线能够用一个超宽的工作频带，同时覆盖第二代至第五代移动通信系统频段、射频识别系统频段、超宽带通信系统频段和移动数字电视系统频段，并满足回波损耗低、在各个工作频段辐射性能均匀稳定、全向辐射等要求，具有超强的兼容性。

与现有移动通信、射频识别、超宽带通信、移动数字电视天线相比，该款天线具有较大的性能优势。该款天线用一个超宽的工作频带同时覆盖了四种系统的工作频段，其超宽带工作性能远远好于用多频段叠加方式实现覆盖的现有天线：该款天线在0.702 GHz～14.503GHz的頻率范围内，回波损耗值都低于-50 dB，波动很小，回波损耗远低于现有天线，且在各个工作频段的辐射性能都具有很高的稳定性；天线使用了六边形阵列仿生结构，具有很高的机械强度，抗破坏性强。该款天线性能优异，在微波频段多网合一系统中有较好的应用前景。