强抗干扰复合超宽频带天线设计

作者 林斌 郑萍 魏昕煜 潘依郎 洪志杰 李振昌 厦门大学嘉庚学院(福建 漳州 363105)

　　*本文研究工作得到福建省自然科学基金计划资助项目(项目编号：2016J01318)、福建省高校杰出青年科研人才培育计划项目(闽教科[2017]52号)的资助。

　　林斌，男，1984年5月出生于福建省三明市，2010年毕业于厦门大学电子工程系，获得理学硕士学位，同年进入厦门大学嘉庚学院任教。副教授职称，现任厦门大学嘉庚学院信息科学与技术学院党总支书记，主要研究方向为微波射频器件设计、太赫兹波段器件设计。

　　郑萍、魏昕煜、潘依郎、洪志杰、李振昌：厦门大学嘉庚学院信息科学与技术学院本科生，主要研究方向为微波射频器件设计。

摘要：本文针对微波多频段兼容智能终端对天线系统的性能要求，将折线螺旋天线、感应辐射阵列、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜材料、陶瓷薄片、铁氧体涂层有机结合，设计了一款强抗干扰复合超宽频带天线。实测结果表明，该款天线能够对抗周围电磁场和金属物体干扰，实现对移动通信、射频识别、超宽带通信和移动数字电视等多个通信系统的兼容，辐射强度较高，性能冗余较大，是一款具有广阔应用前景的多频段兼容天线。

0 引言

　　进入二十一世纪以来，无线通信技术取得了长足的进步，在越来越多领域得到了应用。移动通信技术、射频识别技术、超宽带通信技术、移动数字电视技术是四种基于无线通信的应用技术，它们的工作频段都位于微波频段，对于终端硬件设备和通信协议的要求相似。如果能够将移动通信手机、射频识别读写器、超宽带通信终端、移动数字电视终端整合在一起，就可以实现微波频段的多网合一，设计出多频段兼容的“智能终端”^[1-5]。

　　天线的性能好坏决定着无线通信系统的性能优劣。我国目前使用的第二代移动通信频段为GSM制式 0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz频段;第三代移动通信频段为TD-SCDMA制式1.880～1.920 GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz频段和WCDMA制式 1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz频段;第四代移动通信频段为TD-LTE制式 2.570～2.620 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：3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz [6-7]。射频识别系统有三个主要的工作频段：0.902～0.928 GHz、2.400～2.4835 GHz、5.725～5.875 GHz [8-9]。超宽带系统的工作频段为3.100～10.600 GHz ^[10-11]。移动数字电视系统工作频段为11.700～12.200 GHz [12]。微波频段智能终端天线必须同时覆盖上述所有工作频段，具有多频段兼容功能，辐射强度较高，性能冗余较大。智能终端天线的应用领域广阔，有可能面对各种各样的复杂电磁环境，终端内部和终端周围很可能有大量金属部件。周围电磁场和金属物体的杂散辐射会对智能终端天线的性能造成较大影响，这就要求智能终端天线具有强抗干扰性能，可以有效屏蔽周围电磁场和金属物体的干扰。

1 折线螺旋天线简介

　　折线螺旋天线是一种利用叠加原理实现宽频带工作的天线，其结构如图1所示。折线螺旋天线由多条彼此呈90度折叠的直线段组成，从外到内，每折叠一次直线段的长度就减少一次。每条直线段的长度不同，辐射频率不同，多条工作在不同频率的直线段的辐射相叠加，可以形成一个较宽的工作频段。

2 感应辐射阵列简介

　　感应辐射阵列由多片边长渐变的正方形感应辐射贴片组成，通常与馈电辐射贴片配合使用。感应辐射贴片可以吸收馈电辐射贴片的部分辐射能量，并产生二次辐射。多片正方形感应辐射贴片的边长按照顺时针的顺序逐渐增加，它们的二次辐射频率也逐渐改变，多片工作在不同频率的正方形感应辐射贴片的辐射相叠加，可以形成一个较宽的工作频段。

3 陶瓷薄片-铁氧体涂层复合结构简介

　　低损耗微波陶瓷材料具有较高的介电常数，在天线结构中添加一层陶瓷薄片可以有效削弱外部电场对天线辐射的影响。铁氧体是由铁的氧化物及其他配料烧结而成，具有较高的磁导率，在天线结构中添加一层铁氧体涂层可以有效屏蔽外界磁场对天线辐射的影响。将陶瓷薄片和铁氧体涂层组合在一起，可以有效阻止天线周围环境电磁场和金属物体杂散辐射对天线辐射的干扰，保证天线具有强抗干扰性能。

4 天线结构设计

　　在设计中，使用PET薄膜作为天线基质材料，它的形状为正方形，尺寸是30 mm×30 mm，厚度为0.2 mm，相对介电常数为4.0。PET薄膜的化学稳定性非常好，具有很好的耐腐蚀性能，可以保证天线有稳定的物理和化学性质。

　　天线整体分层截面结构如图2所示，天线结构第一层是折线螺旋-感应阵列复合辐射贴片，第二层是PET薄膜，第三层是导电墨水印制的接地板，第四层是防止外部电场干扰的陶瓷薄片，第五层是防止外部磁场干扰的铁氧体涂层。

　　折线螺旋-感应阵列复合辐射贴片结构如图3所示。其整体是一个边长为30 mm的方形，划分为三行三列，共九个小方形。中央的小方形区域放置折线螺旋馈电天线，周围的小方形区域放置八个方形感应天线，馈电点位于复合辐射贴片的几何中心。折线螺旋馈电天线由10条线段组成，从外到内，每条线段的长度逐渐减小，10条线段的长度分别为：10 mm、9 mm、8 mm、7 mm、6 mm、5 mm、4 mm、3 mm、2 mm、1 mm;相邻两条线段的夹角为90度，每条线段的宽度为1 mm。八个方形感应天线的边长，从位于左上角的方形感应天线开始，按照顺时针的顺序逐渐增加，八个方形感应天线的边长分别为：1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm。

　　位于复合辐射贴片中心的折线螺旋馈电天线由10条彼此呈90度折叠的直线段组成，从外到内，每折叠一次直线段的长度就减少1 mm，最外侧的直线段长度为10 mm，最内侧的直线段长度为1 mm。每条直线段的长度不同，辐射频率不同，10条工作在不同频率的直线段的辐射相叠加，可以形成一个较宽的工作频段。位于复合辐射贴片外围的八个方形感应天线组成感应辐射阵列，它们可以吸收折线螺旋馈电天线的部分辐射能量，并产生二次辐射。八个方形感应天线的边长按照顺时针的顺序逐渐增加，它们的二次辐射频率也逐渐改变，八个工作在不同频率的方形感应天线的辐射相叠加，也可以形成一个较宽的工作频段。折线螺旋馈电天线和感应辐射阵列都具有宽频带工作特性，它们的辐射相叠加，可以得到一个辐射强度和带宽性能都较好的超宽工作频段。

　　薄膜基质下方的陶瓷薄片为低损耗微波陶瓷薄片，其形状为正方形，尺寸是30 mm×30 mm，厚度为0.5 mm，相对介电常数为55。铁氧体涂层的尺寸与陶瓷薄片的尺寸相同，所用铁氧体是软磁铁氧体。

　　天线辐射结构和接地板由石墨烯导电墨水印制而成。石墨烯具有很高的电子迁移率，能够容纳强度很高的射频电流，以石墨烯导电墨水印制天线辐射贴片和接地板，可以增强天线内部的射频电流强度，提高天线辐射强度。同时天线辐射贴片中没有金属，不易被腐蚀，天线的工作稳定性也会得到提高。

5 天线样品测试

　　根据上述设计方案，我们制作了天线样品，测试了它的辐射性能和方向图性能，实测结果如图4和图5所示。

　　从图4可知，该款天线能够工作于0.526～14.832 GHz，工作带宽为14.306 GHz，带宽倍频程为28.19，回波损耗最小值为-54.38 dB。天线放置在移动通信基站附近或贴覆在金属板上时，辐射特性基本不变。实测结果显示，该款天线完全覆盖了第二代至第五代移动通信所有制式所有工作频段、射频识别频段、超宽带通信频段和移动数字电视频段。

　　从图5可知，该款天线具有良好的空间全方向工作能力。

　　该款天线与普通的微波多频段天线相比，具有较大的性能优势，该款天线结构中使用了高介电常数陶瓷薄片和高磁导率铁氧体涂层，天线具有强抗干扰性能，能够对抗周围电磁场和金属物体干扰，即使放置在移动通信基站附近或直接贴覆在金属板上，也能够正常工作;该款天线具有优异的宽频带工作特性，工作带宽达到14.306 GHz，带宽倍频程达到28.19，用一个超宽的工作频段就实现了对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的全覆盖;该款天线回波损耗值在工作频带内变化较为平稳，在工作频带内的大部分区域，天线回波损耗值都低于-50 dB，天线性能冗余较大;该款天线使用PET薄膜作为基质材料，使用石墨烯导电墨水印制辐射贴片和接地板，具有很好的抗腐蚀性能。

6 结论

　　本文针对微波多频段兼容智能终端对天线系统的性能要求，设计了一款强抗干扰复合超宽频带天线，将具有宽频带工作特性的折线螺旋馈电天线和感应辐射阵列相结合，组成折线螺旋-感应阵列复合辐射贴片，兼具二者的优点，保证天线同时具有较高的辐射强度和较大的工作带宽。使用PET薄膜作为天线基质材料，保证天线具有较好抗腐蚀性和稳定的物理、化学特性。在天线结构中使用陶瓷薄片和铁氧体涂层，有效降低外界电磁场对天线辐射的干扰。使用石墨烯导电墨水印制天线辐射贴片和接地板，进一步增强了天线的辐射强度。实测结果显示，该款天线能够对抗周围电磁场和金属物体干扰，具有超宽频带工作特性，工作频带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，辐射强度较高、性能冗余较大，是一款具有广阔应用前景的多频段兼容天线。

　　参考文献：

　　[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.

本文来源于《电子产品世界》2018年第11期第34页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。