一種小型化五頻段可重構蝶形天線的設計

王安國 陳 彬 冷 文 趙國煌

（天津大學電子信息工程學院，天津300072）

引 言

隨著無線技術飛速發(fā)展和通信業(yè)務量的不斷攀升，使得通信系統(tǒng)正朝著小型化、多頻段、大容量、多功能、超寬帶的方向演進.為了能夠滿足這種要求，需要在同一通信平臺上搭載多種天線和信息處理子系統(tǒng)，這不僅造成了系統(tǒng)的生產成本增高，總體積和總重量顯著增加，而且使得不同子系統(tǒng)之間電磁干擾日益嚴重.這些問題對于機載雷達、浮空平臺和小型化設備（例如手機等）等通信系統(tǒng)來說是致命的.為此，人們迫切的需要一種“萬能”的天線，即可以通過一種天線能夠提供多種工作頻段、實現輻射方向圖掃描或者改變天線的極化方式.鑒于此，研究者們提出了可重構天線的概念［1-2］.

可重構天線的特點是同一天線或陣列通過動態(tài)改變其物理結構或尺寸，使其具有多個天線的功能，相當于多個天線共用一個物理口徑［3］.可重構天線按照功能可分為：頻率可重構天線，輻射方向圖可重構天線和極化可重構天線［4］.其中，頻率可重構天線具有多種可切換的工作頻段，可用一個天線代替多個天線，使得通信系統(tǒng)的饋電設備、信息處理系統(tǒng)獲得了極大的簡化，降低了成本，減小了系統(tǒng)體積，減輕了系統(tǒng)重量，降低了子系統(tǒng)間的電磁干擾.因此，頻率可重構迅速成為了研究的熱點.

頻率可重構天線的工作原理是通過改變天線有效電長度來實現工作頻率的可重構.具體的實現方式主要有兩種：一種是改變天線的輻射單元結構，即先在天線上加載寄生單元、蝕刻槽縫或使用缺陷地結構，然后通過控制射頻開關、變容二極管等器件動態(tài)地改變天線輻射面結構和電流路徑［5-8］.另一種是改變饋電網絡，即通過改變饋電位置或者采用多點交替饋電的方法來實現頻率的可重構［9］.

目前，國內外學者已對頻率可重構天線做了大量的研究并提出了多種頻率可重構天線.文獻［10］給出了一種依靠改變饋電位置和接地結構來實現頻率可重構的天線，但該天線的尺寸較大，方向圖的全向輻射特性也不夠明顯.文獻［11］提出一款通過改變加載槽縫長度的方法來實現可重構的天線，但是該天線可重構的頻段較少且尺寸較大.

傳統(tǒng)的微帶貼片天線由于自身電磁特性的原因，其帶寬往往比較窄，一種拓展帶寬的方法就是增加寄生貼片［12］.基于寄生單元加載技術，本文設計了一款平面頻率可重構小型化蝶形天線.該天線通過控制饋線的長度以及饋線與寄生輻射單元的導通狀態(tài)，改變天線結構和有效電長度，從而實現頻率可重構的目的.天線具有尺寸小、易加工、平面結構、易共形、成本低、近似全向輻射特性、增益較高等優(yōu)點，可適用于 UMTS（1 920～2 170MHz）、WCDMA（1 920～2 170MHz）、WiBro（2 300～2 390MHz）、LTE2300（2 305～2 400MHz）、Bluetooth（2 400～2 484MHz）、Zigbee（2 400～2 834MHz）、Wimax（3 400～3 690MHz）、C Band（3 700～4 200 MHz）、WLAN（2 400～2 484MHz，5.15～5.875 GHz）等無線通信系統(tǒng)［13-14］.

1 天線結構與設計

天線的結構和尺寸如圖1所示.天線印刷在介電常數εr＝4.4，厚度為1.6mm的環(huán)氧樹脂（FR4）介質板上，因其結構類似于蝶形，故稱為蝶形天線.該天線由U型饋電線、矩形寄生單元（＃1～＃12）、矩形接地面組成，天線尺寸較小，總尺寸僅為35 mm×38mm×1.6mm.其中，寄生輻射單元長度的計算方法是：先由天線有效電長度（寄生單元長度與相應饋電帶線長度之和）得到寄生輻射單元的初始長度，再由電磁仿真軟件對參數進一步優(yōu)化.而天線的有效電長度約等于天線諧振時對應工作波長的一半，其計算可以參考以下經驗公式［15］

式中：Leff是天線有效輻射電長度，mm；fres是諧振頻率，GHz；εeff為有效介電常數；c是真空中的光速；h和W 分別是介質板厚度和超小A型（SMA）接頭處微帶線的寬度，mm.文中采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 10.0對天線性能進行仿真和結構參數優(yōu)化.

圖1 天線的結構和尺寸圖

值得注意的是，由于低頻段對應的寄生輻射單元＃9和＃10距離饋電SMA接頭較遠，其饋電損耗和空間損耗相對較大.為此，在接地面增加寄生單元＃11和＃12，通過控制開關導通可以擴大接地面，有利于提高低頻段性能.

天線工作狀態(tài)與導通開關的關系如表1所示，圖2給出了天線狀態(tài)5的實物圖.

表1 D1～D16通斷狀態(tài)及可重構頻率

圖2 天線（狀態(tài)5）的實物圖

2 實驗結果及分析

實際測量中，選用Agilent公司E5071BENA（300kHz～8.5GHz）網絡分析儀測量天線各參數.為驗證概念和測量簡單起見，文中開關用銅箔的連接與斷開來代替［15］.

圖3給出了天線不同工作模式下回波損耗的測量值.從測量結果可知，天線的回波損耗S11在-10 dB以下的頻譜有：1.94～2.22GHz、2.32～2.54 GHz、3.08～3.78GHz、3.63～4.83GHz、4.82～6.85GHz，即天線在這些頻段之間實現可重構.

輻射方向性是天線的另一個重要指標，一般的無線通信系統(tǒng)要求天線具有全向的輻射特性.為說明可重構天線的輻射特性，圖4給出天線5種工作模式中5個有代表性工作頻點（5.82GHz、3.81 GHz、3.5 1GHz、2.4 2GHz和2.0 4GHz）的方向圖.由實測結果可以看出：天線的幾種可重構模式均具有單極子天線的主要特征，即在H面（yoz平面）上具有近似全向的輻射特性，在E面（xoz平面）上具有雙向（∞型結構）的輻射特性.同時，各頻點的方向圖增益軌跡較為穩(wěn)定，且交叉極化相對較小.

圖5給出了天線的測量增益曲線 .由圖可知：天線工作模式不同，增益也不同，但總的來說各工作模式均具有較高的增益，介于2.9～5.5dBi之間，可以滿足一般通信系統(tǒng)的要求.

圖5 不同工作狀態(tài)天線測量增益

3 結 論

文中提出了一種新型小型化五頻段可重構天線.該天線采用緊湊平面蝶形結構，總尺寸僅為35 mm×38mm×1.6mm.天線具有多種可用頻段，且各工作狀態(tài)具有良好的全向輻射特性和較高的增益.可以通過控制寄生單元與饋電線的連接狀態(tài)，實現天線工作頻段選擇.所設計的天線可以滿足UMTS，WCDMA，WiBro，Bluetooth，LTE2300，Wimax，WLAN等系統(tǒng)的頻譜要求.同時，天線具有平面結構、成本低、易共形、易加工等優(yōu)點.因此，該可重構天線在多頻段通信系統(tǒng)中具有較好的應用前景.

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