射頻開關加載的Koch振子天線研究

2014-04-26 06:10:00徐聲海

艦船電子對抗 2014年2期

陳宏，徐聲海

（1.船舶重工集團公司723所，揚州 225001；2.海軍駐揚州723所軍事代表室，揚州 225001）

0 引言

天線作為一種用來發射或接收無線電波的部件，在無線通信系統中起到了舉足輕重的作用，是無線通信系統中不可缺少的組成部分。隨著無線通信技術的飛速發展，對天線的要求也越來越高：一方面，需要使天線能夠工作在多個頻帶，具有多種工作模式并具有良好的性能；另一方面，又要減輕天線的重量、減小天線體積并降低成本［1］。

分形天線和射頻開關的應用，為設計出多頻及結構緊湊的天線提供了新思路和新方法。分形天線可有效地填充有限的空間，與歐氏幾何結構相比可大大節省空間，利用分形天線可設計出性能優良、結構緊湊的天線［2-4］。射頻開關在天線上也得到了較為廣泛的應用。通過控制射頻開關的狀態來改變天線的輻射模型，使天線的微波射頻性能得到預期的改變，從而使同一個物理結構的天線能工作于多個頻段［5］。

本文將射頻開關和Koch分形天線相結合，設計了一種結構緊湊、可工作在多個頻段的天線。HFSS軟件仿真表明所設計的天線在幾個不同的頻段都具有良好的性能。

1 Koch分形對稱振子

Koch分形對稱振子天線由Koch分形曲線形成，如圖1所示。Koch曲線是一個數學曲線，它由瑞典數學家Helge von Koch在1904年發表的一篇題為《從初等幾何構造的一條沒有切線的連續曲線》的論文中提出。Koch曲線是一種不規則的曲線，常見的Koch曲線分形階數每增加一階，每單位直線段中間的1／3段就分別繞著2個分段點旋轉60°和-60°后連接形成高一階的分形曲線，總的長度變為原來的4／3倍［6］。當迭代n次時，天線總長度ln為：

式中：l0為未分形的線段長度。

圖1 Koch分形對稱振子天線（K0～K3）

可見，Koch曲線在迭代次數為1次以上時，所占據的空間即趨于一個定值，而長度卻隨著迭代次數的增加而增加，最終趨于無窮大，與初始值l0無關。說明該結構具有較好的空間填充性，這種結構的天線將有較好的小型化效果。該結構的構造方法常用迭代函數系統（IFS）算法來實現。IFS是一種收縮仿射變換簇，可以構造、描述包括Koch結構曲線在內的一大類分形集合，因此它被稱為分形的語言。二維平面內任意的Koch曲線可以用如下方法實現：

式中：x和y為分段點坐標值，轉換關系由矩陣W＝［a，b，c，d，e，f］確定。

矩陣A可寫為：

在Koch曲線中，若令r1＝r2＝r＝1／3，0＜r＜1，而且θ1＝θ2＝θ＝60°，r為收縮比例，θ為旋轉的角度，由此有：

把W1（x，y）、W2（x，y）、W3（x，y）、W4（x，y）組合起來就是Koch曲線了，如圖1所示。在此基礎上，將曲線延拓成具有一定寬度和厚度的金屬薄片，就形成了相應的如圖1所示分形結構振子天線。

2 仿真模型

由上一小節可知，Koch振子天線的高度比相同諧振頻率普通振子天線的高度有較大幅度的減小，選擇的二次迭代Koch半波振子天線的高度為普通半波振子的74.5%。

在模型中，天線基板為 Rogers RT／duroid 6002，其介電常數為2.94，厚度為0.508mm，損耗正切0.001 2。Koch振子天線兩臂總長度為42mm，振子線寬為0.6mm。天線結構模型如圖2所示。采用50Ω的微帶線轉雙線結構給Koch振子天線饋電，饋線寬度為1.31mm。Koch振子的兩臂分別對稱地印制在基板的兩面。在Koch振子天線上，加載2對射頻開關。射頻開關的通斷用導體的有無來表示，在仿真中射頻開關的尺寸為0.6mm×0.6mm。通過控制開關的通斷，天線可工作在3種不同的狀態。模型中為所有的開關都斷開的情形。

圖2 射頻開關加載的Koch振子天線

3 仿真結果

不同工作狀態天線S參數如圖3所示。

圖3 不同工作狀態天線S參數

通過開關的通斷，天線工作在3種不同的狀態：狀態1，開關全通，天線中心諧振頻率2.3GHz；狀態2，遠離中心點的一對開關斷，靠近中心點的一對開關通，天線中心諧振頻率3.4GHz；狀態3，遠離中心點的一對開關通，靠近中心點的一對開關斷，天線中心諧振頻率4.6GHz。狀態1、2和3，天線S參數的-10dB帶寬分別約為180MHz、310MHz和590MHz。由圖3可知，通過控制射頻開關的通斷，在2.3GHz、3.4GHz和4.6GHz 3個頻段上實現了Koch振子天線的頻率可重構。

3個不同諧振頻率點天線表面的電流分布如圖4所示。從圖中可以看出，通過射頻開關的通斷，可以有效控制Koch振子天線上的電流分布，從而控制其諧振頻率。