新型頻率自動(dòng)跟蹤可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)

石真宇，陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

一些通信設(shè)備需要經(jīng)常性地在2個(gè)或多個(gè)頻率點(diǎn)之間切換工作，例如WiFi設(shè)備有時(shí)需要在2.45 GHz和5.8 GHz切換[1-3]，Bluetooth設(shè)備在2.4 GHz的ISM頻段也有多個(gè)不同工作頻率的信道[4-5]。對(duì)這些設(shè)備，當(dāng)發(fā)射端切換工作頻率后，接收端應(yīng)該能夠自動(dòng)探測(cè)到頻率變化并實(shí)時(shí)地將天線切換到新的工作頻率，即具有頻率自動(dòng)跟蹤功能。

為了實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤，首先需要實(shí)現(xiàn)一款可以接受控制使工作頻率切換的天線，頻率可重構(gòu)天線可以滿足這個(gè)要求[6-8]。頻率可重構(gòu)天線有多種實(shí)現(xiàn)方式[9]。文獻(xiàn)[10]采用MEMS開關(guān)調(diào)節(jié)天線的電長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)了一只能夠在2.45 GHz和5.8 GHz切換工作頻率的頻率可重構(gòu)天線。文獻(xiàn)[11]針對(duì)ISM頻段的WiFi應(yīng)用，基于變?nèi)荻O管設(shè)計(jì)頻率可重構(gòu)天線，實(shí)現(xiàn)在2.4～2.5 GHz和5.2～5.825 GHz兩個(gè)工作頻段之間切換。除了使用MEMS器件，采用PIN二極管[12-14]或變?nèi)荻O管[15-16]等電子器件設(shè)計(jì)可重構(gòu)天線也得到了重視和研究。本文采用PIN二極管為受控器件，實(shí)現(xiàn)一款頻率可重構(gòu)天線。

頻率可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)完成后，還需要設(shè)計(jì)與之配套的電路，輸出控制信號(hào)給天線，實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤功能。文獻(xiàn)[17]使用了功分器，將端口輸入功率的一部分傳輸給整流電路，根據(jù)不同的頻率微波能量輸入，整流電路輸出不同的電壓用于控制PIN二極管的開啟和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)天線在1.22 GHz和1.56 GHz之間自動(dòng)切換。文獻(xiàn)[18]中天線有2個(gè)端口，一個(gè)端口作為天線的饋電口，另一個(gè)端口接收微波能量，通過整流電路得到直流，然后用于控制天線中的PIN二極管導(dǎo)通和斷開狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了天線在2.85 GHz和5.52 GHz兩個(gè)頻率之間自動(dòng)切換。上述天線控制電路較為固定，若天線工作環(huán)境或頻率等發(fā)生變化，天線要正常工作就需要對(duì)電路參數(shù)做一些改變，靈活性不強(qiáng)。

本文通過使用檢波器處理天線接收到的功率，使用微控制器采集檢波器輸出，用于分析接收幅度，來對(duì)天線進(jìn)行控制。通過微控制器搭建頻率跟蹤控制器電路與固定整流電路相比有更好的靈活性，能根據(jù)不同的使用環(huán)境對(duì)控制參數(shù)精細(xì)調(diào)節(jié)，更加利于天線工作狀態(tài)的控制。同時(shí),使用微控制器能實(shí)時(shí)輸出天線的工作狀態(tài)，具有靈活的數(shù)據(jù)接口，能嵌入到更大的天線系統(tǒng)中，完成更多的工作。

1 天線結(jié)構(gòu)

本文以矩形貼片天線為基礎(chǔ)，進(jìn)行頻率可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Antenna structure

圖中，L2為矩形貼片天線的邊長(zhǎng)。在貼片天線的基礎(chǔ)上，天線的縱向上加入2塊金屬條，長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L3，寬度為W1，長(zhǎng)度與矩形貼片天線的長(zhǎng)度L2相等。同時(shí),在上下金屬貼片和矩形貼片天線之間加入PIN二極管，控制金屬貼片和天線主體之間的連接。當(dāng)PIN二極管開啟時(shí)，天線的總長(zhǎng)度變大，使頻率向低端偏移，實(shí)現(xiàn)了天線頻率可重構(gòu)。根據(jù)PIN二極管封裝大小，選擇金屬貼片和天線之間的距Lp。同時(shí)，需要在天線上加入PIN二極管直流偏置回路。在天線縱向上再加入2片邊長(zhǎng)為W2的金屬矩形貼片，在貼片上加入過孔連接到天線背面的地。同時(shí),加入2個(gè)電感，在饋電口、PIN二極管和地之間形成直流通路。

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，對(duì)天線進(jìn)行仿真。查看天線的電場(chǎng)分布圖,分析切換PIN二極管狀態(tài)是否能達(dá)到改變天線工作狀態(tài)的目的。在軟件中切換PIN開啟和關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)行仿真。2種狀態(tài)下天線電場(chǎng)分布如圖2所示?？梢钥闯?，PIN二極管的開斷能在縱向上改變天線電場(chǎng)分布，與分析吻合。

本文選擇2.45 GHz左右的2.17 GHz和2.54 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)作為天線的2個(gè)工作頻點(diǎn)。為了使天線工作頻率符合要求，對(duì)天線的尺寸參數(shù)進(jìn)行仿真分析。天線的主要工作頻率由貼片天線的尺寸決定。參數(shù)L2變化，天線的2個(gè)工作頻點(diǎn)都將發(fā)生變化，如圖3(a)所示，L2的長(zhǎng)度分別為34，35 mm時(shí)，2個(gè)工作頻點(diǎn)都會(huì)發(fā)生變化。而調(diào)整L1和L3的大小，會(huì)影響較低頻率的工作點(diǎn)而不會(huì)影響較高頻率的工作點(diǎn)。首先使L1與L3寬度之和保持一致，改變L1與L3之間的差值，會(huì)影響天線的匹配效果。如圖3(b)所示，L1與L3相等時(shí)并不一定能取得最好的匹配效果，從仿真結(jié)果可以看出，相差0.5 mm時(shí)能有較好的匹配效果。其次，根據(jù)前面的仿真結(jié)果，使L1與L3的和變大，L1與L3的差值為0.5 mm進(jìn)行仿真，這時(shí)較低頻率工作點(diǎn)工作頻率逐步降低，如圖3(c)所示。

(a) PIN二極管關(guān)斷

(a) 矩形貼片邊長(zhǎng)變化

根據(jù)以上分析和仿真結(jié)果，為了滿足天線工作頻率要求，選擇天線L1為2.5 mm，L2為34 mm，L3為2 mm。同時(shí)，根據(jù)PIN二極管封裝選擇Lp為1 mm，W2選擇2 mm，基板材質(zhì)為F4B，厚度為2 mm，PIN二極管型號(hào)為BAR64,電感大小為36 nH。

2 頻率跟蹤控制器設(shè)計(jì)

頻率跟蹤控制器主要由微控制器芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和對(duì)數(shù)檢波器組成。頻率跟蹤控制器中核心部分為檢波器，用來探測(cè)接收信號(hào)的幅度。對(duì)數(shù)檢波器將不同功率的輸入轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)線性的電壓輸出，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集。同時(shí)，電路板上繪制了直流偏置電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出電壓通過偏置電路、饋線和天線形成直流回路。

控制器可以通過USB總線和計(jì)算機(jī)之間傳輸信息，可以將微控制器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集的功率信息傳輸?shù)诫娔X。同時(shí)，可以通過軟件，將控制信息發(fā)送到控制器，達(dá)到調(diào)節(jié)控制器控制模式的目的。控制電路板如圖4所示。

圖4 控制器電路板Fig.4 Circuit board of the controller

3 測(cè)試結(jié)果

天線焊接完成后，如圖5(a)所示。對(duì)天線的反射系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)試PIN二極管開啟和關(guān)閉2種狀態(tài)下的參數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖5(b)所示。

(a) E面仿真與實(shí)測(cè)方向圖

(a) 天線實(shí)物

可以看出，天線的2個(gè)工作狀態(tài)的測(cè)試結(jié)果基本與仿真結(jié)果一致。PIN二極管開啟和關(guān)閉對(duì)應(yīng)2.17，2.54 GHz兩個(gè)工作頻點(diǎn)，對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)反射系數(shù)小于-10 dB的帶寬分別為37，55 MHz。

分別測(cè)試PIN二極管開啟和關(guān)閉時(shí)E面和H面的方向圖，如圖6所示。其中，2.17 GHz增益為4.6 dBi，2.54 GHz增益為5.5 dBi。實(shí)測(cè)方向圖基本與仿真一致，180°左右的實(shí)測(cè)方向圖與仿真結(jié)果有一些差異是由于饋電和控制電路在天線背面導(dǎo)致的，并不影響天線的使用。

對(duì)天線2個(gè)工作狀態(tài)下的接收幅度進(jìn)行測(cè)試，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，將一個(gè)發(fā)射天線接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的一端口，將本文的天線接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的二端口，通過記錄S21數(shù)據(jù)，得到天線在2個(gè)工作狀態(tài)下各個(gè)頻率的接收幅度，如圖7所示。

圖7 2種工作狀態(tài)天線接收信號(hào)幅度Fig.7 Amplitude of the received signal in two operating states

可以看出，天線在2個(gè)工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率處接收幅度較強(qiáng)，其余的頻率處接收較弱，2個(gè)工作頻率接收幅度差值都在10 dB以上，滿足檢波器的檢測(cè)需求。

天線測(cè)試完成后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組裝和測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)部分包括信號(hào)源、發(fā)射天線、頻率可重構(gòu)天線、頻率跟蹤電路和計(jì)算機(jī)。頻率可重構(gòu)天線為系統(tǒng)的核心組成部分，控制器起到自動(dòng)頻率控制的作用，信號(hào)源提供不同的頻率輸出，計(jì)算機(jī)用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。搭建測(cè)試平臺(tái)如圖8所示，由信號(hào)源發(fā)射不同頻率的信號(hào)，接收部分對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和顯示。

圖8 測(cè)試平臺(tái)Fig.8 Test platform

控制器使用USB接口傳輸采樣的天線接收功率給電腦，電腦通過軟件繪制功率信息圖，也能顯示天線的工作頻率。同時(shí)，根據(jù)發(fā)射和接收端的距離，軟件中設(shè)置好切換閾值。系統(tǒng)搭建完成后，即可對(duì)天線的頻率跟蹤功能進(jìn)行測(cè)試。通過修改信號(hào)源的頻率，觀察天線的切換效果，同時(shí)計(jì)算機(jī)記錄和顯示天線的接收功率，如圖9所示。

圖9 監(jiān)測(cè)軟件Fig.9 Monitoring software

當(dāng)發(fā)射端頻率改變時(shí)，新的發(fā)射頻率不在此時(shí)天線諧振頻率范圍內(nèi)，接收功率幅度變低。控制器控制PIN二極管全部開啟或者關(guān)閉切換天線工作頻率，接收功率重新回升，即可判斷發(fā)射機(jī)切換了工作頻率。從圖9接收功率變化情況可以看出，信號(hào)源在2.17 GHz和2.54 GHz切換時(shí)，接收功率變化，天線隨即切換工作頻率，功率也跟隨變化。同時(shí)，軟件顯示天線工作的頻率切換正確，說明天線各項(xiàng)功能工作正常，能完成切換頻率的任務(wù)。

4 結(jié)束語

通過分析和仿真，設(shè)計(jì)了一款頻率可重構(gòu)天線。經(jīng)過實(shí)測(cè)，本文設(shè)計(jì)的頻率可重構(gòu)天線工作狀態(tài)良好，反射系數(shù)和方向圖測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。同時(shí)，在頻率可重構(gòu)天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了天線頻率跟蹤控制器，使整個(gè)天線系統(tǒng)能根據(jù)發(fā)射頻率的變化，自動(dòng)改變天線的工作頻率。經(jīng)過系統(tǒng)搭建和測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)頻率跟蹤功能工作狀態(tài)良好，能有效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換功能，控制軟件工作狀態(tài)良好。通過USB接口能輸出天線實(shí)時(shí)接收功率，可以使用輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行更加豐富的控制工作，具有一定的擴(kuò)展性。