用于多波段的多模式頻率可重構(gòu)天線

張彥鵬，孫學(xué)宏，劉麗萍，3，袁一杰，王艷妮，趙靈芝

（1.寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)信息工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學(xué)寧夏沙漠信息智能感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

在數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)展迅速的信息時(shí)代，凡是以電磁波來傳遞信息的設(shè)備，均是依靠天線完成工作的，隨著信息需求不斷增加，導(dǎo)致天線數(shù)量增加，從而引起天線費(fèi)用上升、電磁干擾增加、負(fù)重增加、模型復(fù)雜等諸多問題，為了應(yīng)對(duì)各方面的要求，具有可控性和多功能的可重構(gòu)天線被設(shè)計(jì)出來。可重構(gòu)天線自20 世紀(jì)80 年代被Schaubert D H 等人［1］首次提出，經(jīng)過近40年的發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)頻率［2，3］、方向圖［4］、極化［5］以及多重模式［6］的可重構(gòu)。通過有源器件或結(jié)構(gòu)等［7～10］其他手段，改變電流分布，使天線的工作頻段、極化方式、波瓣圖等一些參數(shù)中的某一種或幾種參數(shù)實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。近些年，學(xué)者們又從新角度出發(fā)，引入超材料［11～13］、新結(jié)構(gòu)［14］等對(duì)傳統(tǒng)天線進(jìn)行改進(jìn)，為天線實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)拓寬了道路。

頻率可重構(gòu)天線在擴(kuò)寬工作頻段，提供多通道選擇上起到了很好的作用，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性、減小系統(tǒng)的復(fù)雜性、提高系統(tǒng)的多模協(xié)同性。但傳統(tǒng)的頻率可重構(gòu)天線的模式單一，天線尺寸較大，如文獻(xiàn)［15］提出了一種具有全向輻射模式和定向性的機(jī)械模式可重構(gòu)雙頻天線，通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)頂部基板，天線能夠?qū)崿F(xiàn)2種工作狀態(tài)，分別是貼片狀態(tài)和單極狀態(tài)，且天線直徑高達(dá)90 mm，尺寸過大。在文獻(xiàn)［16］提出了為認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用設(shè)計(jì)的雙端口天線系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)雙頻槽天線（double band slot antenna，DBSA）的元表面（meta surface，MS），以實(shí)現(xiàn)三種狀態(tài)的頻率可重構(gòu)，且該文中天線尺寸達(dá)到了51.3 mm ×25.3 mm，尺寸明顯較大。

為了解決可選擇的頻率模式單一、天線尺寸過大等問題，本文通過對(duì)縫隙天線引入PIN二極管，改變縫隙結(jié)構(gòu)，提出了一種應(yīng)用于多波段的多模式頻率可重構(gòu)微帶縫隙天線。天線為叉形結(jié)構(gòu)，在3 個(gè)叉形枝節(jié)與微帶線之間引入3個(gè)PIN 二極管，控制PIN 二極管的導(dǎo)通狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)4種模式下多種工作頻段的可重構(gòu)，分別是單頻段（11.68～13.04 GHz）、雙頻段（3. 32 ～4. 26 GHz，10 ～10.8 GHz）、三頻段（4. 36 ～5. 14 GHz，9. 82 ～10. 32 GHz，11.92～12. 92 GHz）和四頻段（2.8 ～3.9 GHz，10.18～10.86 GHz，13～13.34 GHz，14.74～14.96 GHz）。同時(shí)對(duì)本文設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行加工制作，并通過矢量分析儀對(duì)天線的S參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，證明天線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合于仿真數(shù)據(jù)。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

本文對(duì)傳統(tǒng)的縫隙天線進(jìn)行處理，所得的頻率可重構(gòu)微帶縫隙天線如圖1 所示，圖中顯示了天線的模型尺寸和實(shí)物。天線基板采用1.6 mm厚的Rogers RO4350（tm），介電系數(shù)εr＝3.66，損耗角正切tanδ＝0.004。天線輻射貼片采用0.02 mm厚度的銅片，由共面波導(dǎo)（coplanar waveguide，CPW）進(jìn)行饋電。天線的輻射貼片上開槽為叉形圖案，在3個(gè)叉形枝節(jié)上由3個(gè)PIN二極管D1，D2，D3橫跨接通，控制二極管可以實(shí)現(xiàn)頻率變化。最終天線尺寸為22 mm ×20 mm，實(shí)現(xiàn)了小型化，天線各個(gè)參數(shù)優(yōu)化后的結(jié)果如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)mm

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意

1.2 天線設(shè)計(jì)過程

本文設(shè)計(jì)來源于傳統(tǒng)的微帶縫隙天線，圖2（a）所示為對(duì)天線1（傳統(tǒng)縫隙天線）結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理的過程，此縫隙天線應(yīng)用于數(shù)字微波接力通信機(jī)的6 GHz 頻段（5 925 ～6 425 MHz（L），6425～7 110 MHz（U））和7 GHz頻段（7125～7 425 MHz（L），7 425 ～7 725 MHz（U）），帶寬為5. 83 ～7.00 GHz。從圖3中天線1 的回波損耗（S11）的仿真的結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，天線1 只有1 個(gè)工作頻段工作模式單一。為了擴(kuò)展工作模式，設(shè)計(jì)出多頻段，且具有可重構(gòu)的特性，對(duì)上述縫隙天線進(jìn)行改進(jìn)。最終可以得到如圖2（b）所示的天線2（叉形天線），并對(duì)天線2進(jìn)行仿真及實(shí)物制作，仿真結(jié)果如圖3中S11曲線所示，天線2 具有3 個(gè)工作頻段，分別是低頻段（4. 41 ～5. 10 GHz），中頻段（9. 85 ～10.42 GHz），高頻段（12.19～12.92 GHz），與實(shí)測(cè)結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)二者基本一致。

圖2 天線設(shè)計(jì)過程

圖3 2 種天線回波損耗參數(shù)對(duì)比

2 天線仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

2.1 仿真過程

天線的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)天線性能有很大影響。本文對(duì)其中幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行掃描，分析且選取最優(yōu)值，保證天線性能達(dá)到最佳。如圖4所示，參數(shù)L1，L2，L3對(duì)回波損耗影響的曲線。L1為微帶線的長(zhǎng)度，可以從圖4（a）中發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)度L1從6.5 mm以步長(zhǎng)為0.5 mm增加至7.5 mm對(duì)天線進(jìn)行掃描，L1對(duì)天線在中、高頻段的頻點(diǎn)有明顯影響，而在低頻段時(shí)S11基本維持在-34 dB左右，中頻段時(shí)當(dāng)L1＝7.0 mm時(shí)S11最小，在高頻段隨著參數(shù)變大，S11減小?？傮w而言，當(dāng)L1＝7.0 mm效果最好，諧振點(diǎn)的S11值均能達(dá)到-25 dB 之下，具有很好的輻射特性。如圖4（b）所示，將L2（叉形天線兩側(cè)枝節(jié)的長(zhǎng)度）以1 mm的步長(zhǎng)從7 mm增加至9 mm的參數(shù)對(duì)天線進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)天線的工作頻段發(fā)生了明顯的偏移，隨著L2的增加，工作頻段向左偏移，同時(shí)在L2＝8 mm時(shí)，S11在3 個(gè)工作頻段內(nèi)均能達(dá)到最佳值，分別達(dá)到了-34，-44，-28 dB。如圖4（c）所示，將L3（中間枝節(jié)窄帶長(zhǎng)度）以0.3 mm的步長(zhǎng)從4.0 mm增加至4.6 mm的參數(shù)進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)天線在L3＝4.6 mm 時(shí)只出現(xiàn)1 個(gè)工作頻帶，但在L3＝4.3 mm時(shí)S11在3個(gè)工作頻段內(nèi)的頻點(diǎn)均能達(dá)到最佳值，分別達(dá)到了-34，-44，-28 dB。

圖4 參數(shù)對(duì)回波損耗曲線的影響

2.2 天線實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過上面參數(shù)分析可知，天線有3個(gè)工作頻段。為了實(shí)現(xiàn)頻段可控，在3 個(gè)叉形枝節(jié)和微帶線之間引入PIN二極管，在HFSS軟件中通過設(shè)置RLC 邊界條件實(shí)現(xiàn)模擬二極管的狀態(tài)變化，仿真中用R＝2 Ω模擬導(dǎo)通，C＝0.02 pF模擬關(guān)閉。本文PIN二極管型號(hào)為BAR64-03W，如圖5 所示為BAR64-03W的PIN二極管的模型、實(shí)物和等效電路，可以發(fā)現(xiàn)二極管為貼片型，尺寸約為2.5 mm，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)表現(xiàn)出電感和電阻串聯(lián)的LC串聯(lián)諧振電路，當(dāng)截止時(shí)表現(xiàn)為電容與電阻并聯(lián)后和電感串聯(lián)的LC并聯(lián)諧振電路。

圖5 BAR64-03W二極管的模型、實(shí)物和等效電路

為了實(shí)現(xiàn)工作模式及頻段的可重構(gòu)，本文通過控制PIN 二極管的開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)工作頻段的再分配，在PIN二極管不同狀態(tài)下對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天線具有4種模式，開關(guān)狀態(tài)組合如表2 中所示（1 為二極管ON 狀態(tài)，0為二極管OFF狀態(tài)）。并對(duì)天線實(shí)物通過矢量分析儀進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集，如圖6所示。

表2 4 種模式下的開關(guān)狀態(tài)組合

圖6 頻率可重構(gòu)微帶縫隙天線實(shí)測(cè)

在模式1時(shí)，天線的3 個(gè)PIN二極管均處于ON狀態(tài)，二極管的工作狀態(tài)為111，天線結(jié)構(gòu)為三叉型，對(duì)天線的S11參數(shù)進(jìn)行仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖7（a）中所示，從仿真S11的參數(shù)曲線可以發(fā)現(xiàn)天線具備3 個(gè)工作頻段（4. 36 ～5.14 GHz，9.82～10.32 GHz，11.92～12.92 GHz），分別可用于C波段、X波段和Ku波段，實(shí)測(cè)S11參數(shù)也擁有以上的變化趨勢(shì)，但是和仿真有一定的差異，這是由于天線制作工藝引起的誤差。從圖7（b）中天線仿真效率和仿真增益可以發(fā)現(xiàn)，在工作頻帶處天線效率和增益都明顯增高，且效率曲線和增益曲線的趨勢(shì)一致，工作頻帶內(nèi)天線效率均能達(dá)到80%以上，增益也達(dá)到了3 dBi以上。

圖7 模式1 下參數(shù)曲線

在模式2 時(shí)，兩側(cè)PIN 二極管處于OFF 狀態(tài)，中間二極管處于ON 狀態(tài)，因此只有叉形的中間枝節(jié)工作，此時(shí)，二極管的工作狀態(tài)為010，天線結(jié)構(gòu)為“十”字型，對(duì)此時(shí)的天線的S11參數(shù)進(jìn)行仿真和實(shí)測(cè)，結(jié)果如圖8（a）中所示，可以發(fā)現(xiàn)天線仿真S11參數(shù)在12 dB附近出現(xiàn)1 個(gè)工作頻段（11.68～13.04 GHz），可用于Ku波段，實(shí)測(cè)S11參數(shù)和仿真有一定誤差，這是由于制作天線的工藝和天線中有源器件引起的。從圖8（b）中可以發(fā)現(xiàn)在工作頻帶內(nèi)天線效率可達(dá)到85%以上，增益最大也達(dá)到了4 dBi，具備良好的輻射。

圖8 模式2 下參數(shù)曲線

在模式3時(shí)，兩側(cè)PIN二極管處于ON狀態(tài)，中間二極管處于OFF狀態(tài)，因此只有叉形中間枝節(jié)不參與工作，此時(shí)，二極管的工作狀態(tài)為101，天線結(jié)構(gòu)為“Y”型。對(duì)此時(shí)的天線的S11參數(shù)進(jìn)行仿真和實(shí)測(cè)，結(jié)果如圖9（a）所示，從天線仿真和實(shí)測(cè)S11參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)天線有2 個(gè)工作頻段分別是3.32～4.26 GHz和10 ～10.8 GHz，可用于S波段和波段，且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合于仿真數(shù)據(jù)。由圖9（b）所示，在這2個(gè)頻帶內(nèi)天線效率高達(dá)90%以上，增益也達(dá)到了1.8 dBi和3.4 dBi。

圖9 模式3 下參數(shù)曲線

在模式4時(shí)，3 個(gè)枝節(jié)均處于OFF 狀態(tài)，此時(shí)，二極管狀態(tài)為000，天線結(jié)構(gòu)為“T”型，對(duì)此時(shí)的天線的S11參數(shù)進(jìn)行仿真和實(shí)測(cè)，結(jié)果如圖10（a）所示，可以發(fā)現(xiàn)天線出現(xiàn)4個(gè)工作頻段（2. 8 ～3. 9 GHz，10. 18 ～10. 86 GHz，13 ～13.34 GHz，14.74 ～14.96 GHz），可用于S 波段、X 波段、Ku波段等。從天線仿真S11參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)天線有2 個(gè)工作頻段分別是3.32 ～4.26GHz和10 ～10.8 GHz，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在低頻段（2.8 ～3.9 GHz）沒有達(dá)到-10 dB，在其他3 個(gè)頻段數(shù)據(jù)吻合于與仿真數(shù)據(jù)。由圖10（b）所示，在這2個(gè)頻帶內(nèi)天線效率高達(dá)80%以上，增益也達(dá)到了5，3.3，4.3，3.6 dBi。

圖10 模式4 下參數(shù)曲線

綜上所述，通過控制D1，D2，D3的開關(guān)狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)頻段的頻率可重構(gòu)。天線可以應(yīng)用于C 波段、S 波段、X波段、Ku波段等。針對(duì)本文設(shè)計(jì)的天線，在二極管D1，D2，D3處于不同狀態(tài)下，表3對(duì)天線仿真所得的工作頻段、中心頻率、頻點(diǎn)增益、頻點(diǎn)效率、應(yīng)用場(chǎng)景5 個(gè)方面做出詳細(xì)的總結(jié)。

表3 天線不同工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)分析

表4為本文設(shè)計(jì)的具有多頻段的窄帶頻率可重構(gòu)微帶縫隙天線和參考文獻(xiàn)中提到的天線進(jìn)行比較。比較發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的天線具有緊湊的尺寸，可選擇的多頻段工作模式。雖然文獻(xiàn)［14］和文獻(xiàn)［16］中天線具有5 種工作模式，但是都只有單個(gè)工作頻帶，而且二極管個(gè)數(shù)較多。因此，本文設(shè)計(jì)的天線工作頻段的選擇性更多，同時(shí)也是WiMAX、5G、數(shù)字微波接力通信機(jī)等應(yīng)用的潛在候選。

表4 本文天線與參考文獻(xiàn)中天線的數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié) 論

本文提出了一種緊湊的多頻帶多模式的窄帶可重構(gòu)天線，由傳統(tǒng)的縫隙天線改進(jìn)而來，通過開槽的手段使天線模型為叉形結(jié)構(gòu)，并且加入PIN二極管，可以實(shí)現(xiàn)4種模式的頻率可重構(gòu)，分別為單頻段、雙頻段、三頻段以及四頻段4種工作模式下的4種工作狀態(tài)，通過對(duì)天線實(shí)物的測(cè)試，證明天線具有輻射性良好和效率高、增益良好等優(yōu)點(diǎn)。