一種頻率可重構(gòu)縫隙天線的設(shè)計(jì)

商 鋒, 楊立博, 董 闖

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

頻率可重構(gòu)天線(frequency reconfigurable antenna, FRA)是一種可以切換工作頻率，同時(shí)保持輻射方向圖基本不變的一種新型天線[1]。頻率可重構(gòu)天線既能應(yīng)用在支持多個(gè)通訊標(biāo)準(zhǔn)的無線通信設(shè)備中，也可以應(yīng)用于艦船，衛(wèi)星，飛機(jī)等需要實(shí)現(xiàn)通信、定位、制導(dǎo)、遙測多項(xiàng)功能的大型載體上。采用頻率可重構(gòu)天線可以減少這些載體搭載的天線數(shù)量，降低系統(tǒng)的體積和維護(hù)費(fèi)用[2-3]。

頻率可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)通常采用PIN二極管、射頻微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical systems，MEMS)、變?nèi)荻O管等射頻微波開關(guān)與微帶天線、縫隙天線或者偶極子天線相結(jié)合的方法[4]。

文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種寬縫隙頻率可重構(gòu)天線，利用在饋線中間安放兩個(gè)PIN二極管來調(diào)節(jié)天線的饋線長度，實(shí)現(xiàn)了在1.4 GHz、2.5 GHz和2.65 GHz三個(gè)頻點(diǎn)間相互切換；文獻(xiàn)[6]中設(shè)計(jì)的頻率可重構(gòu)天線通過兩個(gè)PIN二極管將兩個(gè)小的矩形槽和主輻射槽相連，當(dāng)改變PIN二極管的工作狀態(tài)時(shí)，主輻射槽與兩個(gè)小矩形槽的連接狀態(tài)也隨之改變，天線可以在1.9 GHz，2.1 GHz和2.3 GHz三個(gè)頻點(diǎn)間切換。文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)的頻率可重構(gòu)天線通過使用開關(guān)改變環(huán)形槽的長度實(shí)現(xiàn)天線的頻率可重構(gòu)，該天線可以在3 GHz和8.3 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)間相互切換。

利用文獻(xiàn)[5-7]中的設(shè)計(jì)理論，本文設(shè)計(jì)出一種頻率可重構(gòu)縫隙天線，增加了兩個(gè)可以滿足C波段衛(wèi)星通信(3.7～4.2 GHz)和WLAN(5.25～5.85 GHz)通信需求的工作頻點(diǎn)。

1 縫隙天線的設(shè)計(jì)原理

縫隙天線的基本結(jié)構(gòu)是在一個(gè)薄介質(zhì)基片的一面附上金屬薄層作為接地板，用光刻腐蝕方法在接地板表面刻出一道細(xì)長的縫隙，在介質(zhì)基片的另一面制成一定形狀的金屬貼片作為饋電微帶線。當(dāng)給微帶縫隙天線饋電以后，電磁波經(jīng)過微帶傳輸線將能量耦合進(jìn)縫隙并輻射出去[8-9]。為了保證縫隙天線工作在指定的頻率上，縫隙的長度l應(yīng)取

(1)

式中λg表示的是介質(zhì)波長。但是，在實(shí)際設(shè)計(jì)天線時(shí)，考慮到邊緣效應(yīng)的影響，需要對縫隙的長度進(jìn)行修正，修正量Δl的計(jì)算公式為

(2)

式中εe是介質(zhì)基板的有效介電常數(shù)，w是天線的尺寸，h是介質(zhì)板厚度。通常情況下，εe可以表示為

(3)

其中εr是介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)。因此，實(shí)際的縫隙尺寸應(yīng)當(dāng)為

(4)

根據(jù)上述理論，通過使用HFSS軟件進(jìn)行仿真模擬和優(yōu)化，最終得到的天線結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 天線正面結(jié)構(gòu)

圖2 天線背面結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后天線的尺寸和介質(zhì)板厚度分別為

w=27 mm，h=0.8 mm，

介電常數(shù)7.0。天線正面的饋電微帶線采用中心饋電的方法，階梯式的饋電微帶線的可以為天線在寬帶范圍內(nèi)提供良好的阻抗匹配。階梯狀饋電微帶線的參數(shù)尺寸分別為

a=8.4 mm,b=9.5 mm,c=7.5 mm,d=1.7 mm。

天線天線背面是接地平面，接地平面上的縫隙為天線的輻射縫隙，縫隙的長度l和寬度s分別為

l=24 mm，s=1 mm，

為縫隙天線提供2.54GHz的工作頻率。

2 實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)的方法

實(shí)現(xiàn)天線工作頻率的可重構(gòu)可以采用改變天線的物理結(jié)構(gòu)，或者是改變電長度等方法[10-11]。為了實(shí)現(xiàn)天線工作頻率的可重構(gòu)性，設(shè)計(jì)的天線采用了在縫隙上跨接7個(gè)PIN二極管開關(guān)的方法，通過控制PIN二極管的通斷來達(dá)到改變天線輻射縫隙的長度，實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)的目的[12]。如圖3所示，加載在縫隙中的7個(gè)PIN二極管開關(guān)呈對稱分布，共分為4組。其中S1、S7為第一組，S2、S6為第二組，S3、S5為第三組，S4單獨(dú)為一組。

圖3 PIN二極管的分布位置

頻率可重構(gòu)縫隙天線工作頻率設(shè)計(jì)為2.54/2.96/3.54/4.1/5.34GHz。第一組二極管開關(guān)距縫隙短邊的距離取值為e=1.5 mm，第二組PIN二極管開關(guān)距離縫隙短邊的距離取值為f=3.5 mm，第三組PIN二極管開關(guān)距離縫隙短邊的距離取值為g=4.9 mm,最后一組PIN二極管開關(guān)距離縫隙短邊的距離取值為i=12 mm。另外在HFSS仿真設(shè)計(jì)中，將PIN二極管的導(dǎo)通與關(guān)閉的狀態(tài)設(shè)為理想狀態(tài)，即二極管導(dǎo)通時(shí)為一個(gè)短路通路，使用小銅片來模擬；關(guān)閉時(shí)為一個(gè)開路，刪除小銅片來模擬。

在表1中顯示了天線不同的狀態(tài)下所對應(yīng)的各組PIN二極管的工作情況。

表1 PIN二極管工作狀態(tài)表

在狀態(tài)1時(shí)，各組PIN二極管均不工作，此時(shí)縫隙天線的縫隙長度l=24 mm,工作頻率為2.54 GHz；在狀態(tài)2時(shí)，第一組PIN二極管導(dǎo)通，此時(shí)天線的輻射縫隙變短，長度約為20 mm，對應(yīng)的天線工作頻率變高為2.96 GHz；在狀態(tài)3時(shí)，第二組二極管導(dǎo)通，此時(shí)天線的輻射縫隙進(jìn)一步變短，天線的工作頻率繼續(xù)向高頻變化，工作頻率變?yōu)?.54 GHz；在狀態(tài)4時(shí)，第三組二極管導(dǎo)通，此時(shí)天線的工作頻率隨著輻射縫隙的變短繼續(xù)變高，為4.1 GHz；在狀態(tài)5時(shí)，第四組二極管導(dǎo)通，此時(shí)天線工作頻率為5.34 GHz。通過控制各組PIN二極管開關(guān)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了天線的頻率可重構(gòu)性。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)所選取的天線參數(shù)，使用HFSS軟件仿真分別得到所設(shè)計(jì)的頻率可重構(gòu)縫隙天線的回波損耗如圖4所示，天線在5個(gè)不同頻段所對應(yīng)φ=0°時(shí)的輻射方向圖分別如圖5—9所示，以及φ=90°時(shí)的輻射方向圖分別如圖10—14所示。

圖4 天線的回波損耗

從圖4可以看出，天線在各個(gè)工作狀態(tài)下的回波損耗均小于-15dB，說明天線匹配情況良好。

圖5 2.54GHz φ=0°輻射方向圖

圖6 2.96GHz φ=0°輻射方向圖

圖7 3.54GHz φ=0°輻射方向圖

圖8 4.1GHz φ=0°輻射方向圖

圖9 5.34GHz φ=0°輻射方向圖

圖10 2.54GHz φ=90°輻射方向圖

圖11 2.96GHz φ=90°輻射方向圖

圖12 3.54GHz φ=90°輻射方向圖

圖13 4.1GHz φ=90°輻射方向圖

圖14 5.34GHz φ=90°輻射方向圖

由圖5～9可以看出，天線在各個(gè)頻點(diǎn)工作時(shí)對應(yīng)的φ=0°時(shí)的輻射方向圖大致一樣，基本為一個(gè)圓形。但高頻點(diǎn)5.34GHz對應(yīng)的方向圖略微發(fā)生了變形，這種變形是由于相比于低頻工作點(diǎn)，在高頻點(diǎn)處的天線匹配情況較差而引起的。

由圖10～14可以看出，天線在各個(gè)工作頻點(diǎn)所對應(yīng)φ=90°時(shí)的輻射方向圖大致一樣，為一個(gè)“8”字形。由于在高頻點(diǎn)5.34 GHz處天線的回波損耗比低頻點(diǎn)處的回波損耗較大，因此，天線匹配情況較差，方向圖發(fā)生了小幅形變，但基本保持了“8”字形狀。

4 結(jié)束語

以縫隙天線作為原型，采用在天線輻射縫隙上跨接PIN二極管方式，通過改變PIN二極管的工作狀態(tài)來改變輻射縫隙長度的方法實(shí)現(xiàn)天線頻率可重構(gòu)的目的。HFSS的仿真結(jié)果顯示，天線在5個(gè)工作頻段下的回波損耗均低于-15 dB，天線的匹配情況良好，同時(shí)各個(gè)工作頻點(diǎn)對應(yīng)的輻射方向圖基本不變。