一種頻率可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)

趙 旋，鄒傳云，蔣永祥（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

一種頻率可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)

趙 旋，鄒傳云，蔣永祥
（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）

研究了一種基于對(duì)稱結(jié)構(gòu)的新型頻率可重構(gòu)微帶貼片天線。通過在貼片上對(duì)稱開槽加載PIN開關(guān)二極管，實(shí)現(xiàn)了良好的頻率可重構(gòu)特性。利用仿真軟件HFSS13.0對(duì)天線進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，天線可以很好地工作在DSC-1800、PCS-1900、UMTS 3個(gè)頻段，且方向圖幾乎保持不變。此類的可重構(gòu)天線非常適合于無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

頻率可重構(gòu)；微帶貼片天線；PIN二極管

0 引言

21世紀(jì)是一個(gè)信息時(shí)代，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，以無線傳輸方式傳遞信息已成為時(shí)代的主題?，F(xiàn)代移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信在人們生活中起著不可替代的作用，天線作為無線傳輸系統(tǒng)發(fā)射能量的終端及接收能量的初始端，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到承上啟下的作用，因此對(duì)其性能有很高的要求［1-2］。

頻率可重構(gòu)天線通過加載一個(gè)或者多個(gè)可控制器件改變天線的結(jié)構(gòu)，使天線的工作頻段在一定范圍內(nèi)重構(gòu)，而其他參數(shù)基本保持不變，同時(shí)，使天線具有多頻帶、超寬帶的性能，還能夠有效避免自身和外界帶來的電磁干擾，適應(yīng)新的環(huán)境，確保通信的總體穩(wěn)定性［3-4］。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)各種形式的頻率可重構(gòu)天線進(jìn)行了不少研究［5-7］。

本文設(shè)計(jì)了一種平面貼片天線，使用二極管來控制電源的通斷，實(shí)現(xiàn)天線在3個(gè)頻段的重構(gòu)。這款天線使用了共面波導(dǎo)的饋電方式，這種饋電方式使得這款天線有了更大的帶寬、更好的阻抗匹配以及更低的輻射損耗等優(yōu)點(diǎn)。

1 頻率可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)

圖1為頻率可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，該天線是印制在介質(zhì)基板大小為60mm×60mm×1.6mm的FR4板材上的，其相對(duì)介電常數(shù)為4.6，損耗角正切值為0.02。CPW饋線以及地板金屬均是印刷在天線的上表面上，其中共面波導(dǎo)饋線的寬度為1mm，饋線與地板的縫寬為1.3mm，大圓的半徑為15.2mm，小圓的半徑為14.1mm，其余的參數(shù)為L(zhǎng)0=6.93mm，L1=3.2mm，L2=1.5mm。此次的天線設(shè)計(jì)中使用的 PIN二極管是 Philips Semiconductors公司生產(chǎn)的BAP51-02，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的結(jié)論，二極管在導(dǎo)通狀態(tài)下，等效為1.5Ω的電阻；二極管在斷開狀態(tài)下，等效為0.2 pF的電容與10 kΩ的電阻組成的并聯(lián)電路。

圖1 天線的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2 頻率可重構(gòu)天線的仿真結(jié)果

天線的仿真結(jié)果由 3D電磁仿真軟件 Ansoft HFSS13.0計(jì)算得出，天線仿真的回波損耗如圖 2所示，仿真結(jié)果的匯總?cè)绫?所示。

圖2 天線仿真的回波損耗圖

表1 仿真的匯總結(jié)果

在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，天線表面的電流主要分布在槽的兩端，因此改變其長(zhǎng)度，天線的諧振點(diǎn)就會(huì)發(fā)生偏移。當(dāng)天線上加載的二極管處于不同的狀態(tài)時(shí)，天線上槽的長(zhǎng)度也就不斷變化，所以通過調(diào)整開關(guān)的通斷狀態(tài)就可以改變天線的諧振點(diǎn)位置。當(dāng)所有二極管處于斷開狀態(tài)時(shí)，槽的長(zhǎng)度最長(zhǎng)，這時(shí)的工作頻率也就最低；當(dāng)二極管逐漸導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)直接與地板相連，槽的長(zhǎng)度被減短，諧振點(diǎn)逐漸向高頻方向移動(dòng)。

當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)只能等效為1.5Ω的電阻；在斷開狀態(tài)下，等效為0.2 pF的電容與10 kΩ的電阻組成的并聯(lián)電路。斷開時(shí)引入到天線中的等效電路對(duì)電流分布的影響比較大，1.5Ω電阻的影響就會(huì)比較小，所以在模式3的條件下將D3、D2全部導(dǎo)通。對(duì)于其他的工作模式，基于相同的原因，都選擇了將其導(dǎo)通。

由表1可以看出，模式1的頻率范圍覆蓋了DSC-1800（Digital Cellular System，1710 MHz～1880 MHz），模式2的頻率范圍覆蓋了PCS-1900（Personal Communications Service，1880 MHz～1900 MHz），模式 3和模式 4的工作頻帶覆蓋了UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，1920 MHz～2170 MHz），帶寬很好地覆蓋了所需的目標(biāo)頻段，而且工作頻段的匹配非常好。

圖3顯示了3個(gè)工作頻段的天線輻射方向圖。該頻率可重構(gòu)天線在3個(gè)不同的工作頻率下的結(jié)構(gòu)與表面電流分布都非常相似，因此方向圖在3個(gè)頻段幾乎保持不變，天線在模式1的諧振點(diǎn)1.794 GHz處的最大增益為1.329 dBi，在模式2的諧振點(diǎn) 1.869 GHz處的最大增益為1.177 dBi，在模式 3的諧振點(diǎn)1.956 GHz處的最大增益為1.447 dBi，在模式4的諧振點(diǎn) 2.102 GHz處的最大增益為1.396 dBi，非常有利于此類天線應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域。

圖3 天線輻射方向圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種平面貼片天線，有3個(gè)頻段的工作模式，每個(gè)模式都有較大的帶寬和良好的端口匹配。因?yàn)樘炀€在不同的工作模式下結(jié)構(gòu)都很相似，所以方向圖保持穩(wěn)定，每個(gè)都十分相似。這款天線是使用二極管來控制電流的通斷，二極管較高的功率容限以及較低的價(jià)格為這款天線降低了成本。

［1］STUTZMAN W L，THIELE G A.天線理論與設(shè)計(jì)（第2版）［M］.朱守正，安同一，譯.北京：人民郵電出版社，2006.

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［4］田雨波，譚冠南.可重構(gòu)天線研究綜述［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，26（3）：271-277.

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A design of frequency-reconfigurable antennas

Zhao Xuan，Zou Chuanyun，Jiang Yongxiang
（Department of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China）

This paper investigates a novel which is based on the frequency of symmetrical structure reconfigurable microstrip patch antenna.By the pads symmetrical loading slot PIN diode switch，a good frequency reconfigurability is achieved.The simulation results show that the antenna may work well in DSC-1800，PCS-1900 and UMTS three bands，and the pattern remains almost unchanged according to the simulation of the software HFSS13.0 simulation.So this kind of reconfigurable antenna is well suited for wireless communications applications.

frequency reconfigurable；microstrip patch antenna；PIN diode

TN92

A

1674-7720（2015）22-0070-03

趙旋，鄒傳云，蔣永祥.一種頻率可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（22）：70-72.

2015-08-21）

趙旋（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：無線通信技術(shù)。

鄒傳云（1960-），男，博士，教授，主要研究方向：電路與系統(tǒng)。

蔣永祥（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：無線通信技術(shù)。