一種頻點連續可調的縫隙天線設計

汪 雷 陸東陽 于 映,2*

(1、電子與光學工程學院、微電子學院,南京郵電大學,江蘇 南京210023 2、射頻集成與微組裝技術國家地方聯合工程實驗室,南京郵電大學,江蘇 南京210023)

近年來隨著5G 技術的發明和推廣,現代無線通信技術取得了突飛猛進的發展,通訊設備在功能上也更加追求多樣性[1]；傳統天線已經無法滿足現代通信的需求,可重構天線改變了傳統天線的工作模式,它通過改變激勵條件實現了多個天線的功能,可重構天線的應用極大的減小了天線的使用數量,在一定程度上降低了無線設備的規模和成本。此外可重構天線能夠提高系統的兼容性,降低系統能量損耗,因此研究人員更加重視對可重構的研究。可重構天線一般指改變天線結構的可重構,通過改變表面電流和電場分布來實現天線功能的改變,天線可重構的電性能主要包括：頻率、方向圖、極化方式以及混合可重構。

文獻[2]設計了一款頻率可重構方形貼片天線,然后在接地板上開了一個方形槽,在槽的對稱位置焊接5 個PIN 管,使天線獲得8 中工作模式,文獻[3]設計了采用共面波導饋電的T 型縫隙天線,在縫隙兩端焊接2 個PIN 管,產生了2 個諧振頻點,分別為5.25GHz 和5.75GHz,文獻[4]介紹的事一款MIMO 天線,該天線在圓形輻射板和短路枝節之間焊接8 個變容二極管,在反向偏置電壓的驅動下,使變容二極管的結電容值在0pf 到2pf之間連續變化,頻點在1.55GHz 到2.9GHz 之間連續可調；目前研究頻率可重構最多的是使用PIN 管和MEMS 開關來實現的,現在已經出現了一些采用可變電容結構連續調節頻點的天線,但是對于兩者的組合研究的較少；由于開關和可變電容調節頻點的原理不同,因此兩者的組合使用更值得作進一步的研究。

本文提出了一種基于PIN 管和變容二極管實現的頻點連續可調的縫隙天線,該天線正面為長方形饋線,接地板上刻有對稱C 型縫隙,并且在縫隙中焊接一個變容二極管和PIN 管,在PIN 管開啟后,通過給變容二極管施加0 到30V 的偏壓,改變縫隙的等效電容值,從而使天線的頻點連續可調。

1 頻率可調縫隙天線的原理

縫隙是改變天線頻點的關鍵因素,當天線處于工作狀態時,一方面電磁波通過縫隙向空間輻射會影響天線的頻點,另一方面縫隙切割天線表面的電流線,從而使縫隙得到激勵,而電流路徑的改變意味著電長度的改變,因此頻點發生變化；從等效電路角度分析,縫隙可以等效為一個固定電容,在縫隙中焊接變容二極管來調節縫隙電容,根據變容二極管的PN 結結電容隨著反向偏置電壓的增大而減小的原理[5],在變容二極管的工作過程中,反向偏置電壓VR 增大,結電容Cj減小,導致頻率f 增加。從而實現調頻的目的。圖1 為變容二極管的等效電路圖,根據下列公式(1)可以求出隨著外加偏壓的增大結電容減小,依據公式(2)、(3)計算出不同頻點所對應的電容值,從而選擇合適的變容二極管。

圖1 變容二極管等效電路圖

式中Cj0是變容二極管初始結電容,VR是反偏電壓,Z0是輸入阻抗,f0為縫隙天線的頻點,fc為電容改變后天線的頻點。

2 頻率可調縫隙天線的設計

圖2 為頻率可重構天線的結構圖,天線是印制在羅杰斯4350 的介質板上,板材的尺寸為50mm*30mm,厚度為1.4mm,其相對介電常數為3.6,損耗角正切值為0.02,該天線的頻率可調范圍是2.45GHz～2.65GHz 和5 GHz～5.5GHz,通帶內的反射系數均小于-20dB。在天線正面印有長度為20mm 的微帶饋線,背面是帶有對稱縫隙的接地平面,考慮到縫隙的寬度會影響天線的阻抗匹配,將縫隙設計為寬度為2mm 的窄縫,根據對偶關系確定縫隙長度與對稱偶極子天線的長度相等,其長度為二分之一波長,利用公式λ=ν/f 可以計算出中心頻點所對應的波長,考慮到邊緣效應帶來的影響,需要對縫隙長度進行修正,設計中使用的型號為SMV1430-040LF 變容二極管由思佳訊公司提供的,在反向偏置工作狀態下,它的等效電阻R=3.15Ω,等效電感L=1.8nH,電容變化區間為0.31pf～1.24pf,使用的PIN 管型號為BAR64-03WE6327,它的導通電阻為2Ω,等效電感為0.1nH,為了保證天線能正常工作,需要設置偏置電路,a 為PIN 管,b 為變容二極管,在兩個管子周圍設計四條寬度為0.3mm 的縫隙,縫隙中焊接3 個100pf 隔直電容,實現兩個管子單獨工作。

圖2 可重構天線的結構圖

其中εe是介質板的有效介電常數,通常用相對介電常數εr來表示有效介電常數εe：

因此可以得到縫隙的實際長度：

3 仿真與測試

通過上述計算可以得出L1=11mm,W1=2mm,L2=5.5mm,L3=35mm,L4=9.5mm,L0=7.5mm,L01=15mm,L02=13mm,W01=0.3mm,L5=20mm,W5=2mm；圖3 為天線測試實物圖,在測試中,通過調節變容二極管兩端的反向電壓,實現連續調節天線的諧振頻點,為了避免電壓過高對線路和變容二極管的損壞,反向電壓限制最高值為20V,實現了天線頻點在6 種狀態下的連續可調,仿真和測試獲到的反射系數S11如圖4(a)、(b)所示,天線的低頻諧振點在 2.5GHz 附近,-10dB 的阻抗帶寬為50MHz～150GHz,高頻諧振點在5GHz 附近,-10dB 的阻抗帶寬為350MHz～500GHz,低頻點的回波損耗值低于-20dB,高頻點的回波損耗值低于-35dB,測試結果與仿真基本吻合,由于PIN 管和變容二極管焊接位置存在偏差和焊點引入的電阻等原因帶來的影響,使得多數狀態的S11 有著不同程度的偏移,在測試中出現6.5GHz 處出現諧振情況,因為在高頻情況下PIN 管的整流能力減弱同時變容二極管的感抗增強導致的；仿真和測試結果的對比說明出設計的天線性能能夠達到預期的要求,表明天線具有可行性。

圖3 天線實物圖背面

圖4

圖5 天線輻射方向圖

圖5 為天線在高頻點處的輻射方向圖,(a)測試時H 面的最大輻射方向為0°和180°,(b)測試E 面的最大輻射方向為10°和210°,天線在6 個不同工作頻率下的最大能量輻射方向基本保持相同, 測試獲得的增益值為3.5dBi～4.0dBi,測試結果表明天線的性能處于較好狀態。

4 結論

本文設計了一款基于PIN 管和變容二極管的頻率連續可重構縫隙天線,通過控制輻射地板縫隙中的PIN 管導通和變容二極管的反向偏置電壓,改變接地板電流分布和縫隙等效電容的大小,可以實現天線的諧振頻點在2.45GHz、4GHz、5GHz 附近的連續切換,PIN 管的使用極大的降低了諧振頻點處的回波損耗值,實現了良好的阻抗匹配特性；仿真結果與測試驗證了設計的可行性,該天線可以用于無線藍牙、C 波段衛星通信、WLAN無線局域網系統以及WiMAX(全球互聯網接入系統)。