用于多波段的多模式頻率可重構天線

張彥鵬，孫學宏，劉麗萍，3，袁一杰，王艷妮，趙靈芝

（1.寧夏大學物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學信息工程學院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學寧夏沙漠信息智能感知重點實驗室，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

在數字通信系統發展迅速的信息時代，凡是以電磁波來傳遞信息的設備，均是依靠天線完成工作的，隨著信息需求不斷增加，導致天線數量增加，從而引起天線費用上升、電磁干擾增加、負重增加、模型復雜等諸多問題，為了應對各方面的要求，具有可控性和多功能的可重構天線被設計出來。可重構天線自20 世紀80 年代被Schaubert D H 等人［1］首次提出，經過近40年的發展，已經實現頻率［2，3］、方向圖［4］、極化［5］以及多重模式［6］的可重構。通過有源器件或結構等［7～10］其他手段，改變電流分布，使天線的工作頻段、極化方式、波瓣圖等一些參數中的某一種或幾種參數實現重構。近些年，學者們又從新角度出發，引入超材料［11～13］、新結構［14］等對傳統天線進行改進，為天線實現可重構拓寬了道路。

頻率可重構天線在擴寬工作頻段，提供多通道選擇上起到了很好的作用，還能增強系統的靈活性、減小系統的復雜性、提高系統的多模協同性。但傳統的頻率可重構天線的模式單一，天線尺寸較大，如文獻［15］提出了一種具有全向輻射模式和定向性的機械模式可重構雙頻天線，通過手動旋轉頂部基板，天線能夠實現2種工作狀態，分別是貼片狀態和單極狀態，且天線直徑高達90 mm，尺寸過大。在文獻［16］提出了為認知無線電應用設計的雙端口天線系統，通過旋轉雙頻槽天線（double band slot antenna，DBSA）的元表面（meta surface，MS），以實現三種狀態的頻率可重構，且該文中天線尺寸達到了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，本文通過對縫隙天線引入PIN二極管，改變縫隙結構，提出了一種應用于多波段的多模式頻率可重構微帶縫隙天線。天線為叉形結構，在3 個叉形枝節與微帶線之間引入3個PIN 二極管，控制PIN 二極管的導通狀態可以實現4種模式下多種工作頻段的可重構，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）。同時對本文設計的天線進行加工制作，并通過矢量分析儀對天線的S參數進行測試，證明天線實測數據基本吻合于仿真數據。

1 天線設計

1.1 天線結構

本文對傳統的縫隙天線進行處理，所得的頻率可重構微帶縫隙天線如圖1 所示，圖中顯示了天線的模型尺寸和實物。天線基板采用1.6 mm厚的Rogers RO4350（tm），介電系數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（coplanar waveguide，CPW）進行饋電。天線的輻射貼片上開槽為叉形圖案，在3個叉形枝節上由3個PIN二極管D1，D2，D3橫跨接通，控制二極管可以實現頻率變化。最終天線尺寸為22 mm ×20 mm，實現了小型化，天線各個參數優化后的結果如表1所示。

表1 天線結構參數mm

圖1 天線結構示意

1.2 天線設計過程

本文設計來源于傳統的微帶縫隙天線，圖2（a）所示為對天線1（傳統縫隙天線）結構進行處理的過程，此縫隙天線應用于數字微波接力通信機的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）的仿真的結果中可以發現，天線1 只有1 個工作頻段工作模式單一。為了擴展工作模式，設計出多頻段，且具有可重構的特性，對上述縫隙天線進行改進。最終可以得到如圖2（b）所示的天線2（叉形天線），并對天線2進行仿真及實物制作，仿真結果如圖3中S11曲線所示，天線2 具有3 個工作頻段，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），與實測結果相比較，發現二者基本一致。

圖2 天線設計過程

圖3 2 種天線回波損耗參數對比

2 天線仿真與實測結果分析

2.1 仿真過程

天線的結構尺寸對天線性能有很大影響。本文對其中幾個重要參數進行掃描，分析且選取最優值，保證天線性能達到最佳。如圖4所示，參數L1，L2，L3對回波損耗影響的曲線。L1為微帶線的長度，可以從圖4（a）中發現，長度L1從6.5 mm以步長為0.5 mm增加至7.5 mm對天線進行掃描，L1對天線在中、高頻段的頻點有明顯影響，而在低頻段時S11基本維持在-34 dB左右，中頻段時當L1＝7.0 mm時S11最小，在高頻段隨著參數變大，S11減小。總體而言，當L1＝7.0 mm效果最好，諧振點的S11值均能達到-25 dB 之下，具有很好的輻射特性。如圖4（b）所示，將L2（叉形天線兩側枝節的長度）以1 mm的步長從7 mm增加至9 mm的參數對天線進行掃描，發現天線的工作頻段發生了明顯的偏移，隨著L2的增加，工作頻段向左偏移，同時在L2＝8 mm時，S11在3 個工作頻段內均能達到最佳值，分別達到了-34，-44，-28 dB。如圖4（c）所示，將L3（中間枝節窄帶長度）以0.3 mm的步長從4.0 mm增加至4.6 mm的參數進行掃描，發現天線在L3＝4.6 mm 時只出現1 個工作頻帶，但在L3＝4.3 mm時S11在3個工作頻段內的頻點均能達到最佳值，分別達到了-34，-44，-28 dB。

圖4 參數對回波損耗曲線的影響

2.2 天線實驗結果分析

通過上面參數分析可知，天線有3個工作頻段。為了實現頻段可控，在3 個叉形枝節和微帶線之間引入PIN二極管，在HFSS軟件中通過設置RLC 邊界條件實現模擬二極管的狀態變化，仿真中用R＝2 Ω模擬導通，C＝0.02 pF模擬關閉。本文PIN二極管型號為BAR64-03W，如圖5 所示為BAR64-03W的PIN二極管的模型、實物和等效電路，可以發現二極管為貼片型，尺寸約為2.5 mm，當二極管導通時表現出電感和電阻串聯的LC串聯諧振電路，當截止時表現為電容與電阻并聯后和電感串聯的LC并聯諧振電路。

圖5 BAR64-03W二極管的模型、實物和等效電路

為了實現工作模式及頻段的可重構，本文通過控制PIN 二極管的開關狀態實現工作頻段的再分配，在PIN二極管不同狀態下對天線進行測試。實驗發現，天線具有4種模式，開關狀態組合如表2 中所示（1 為二極管ON 狀態，0為二極管OFF狀態）。并對天線實物通過矢量分析儀進行實測數據采集，如圖6所示。

表2 4 種模式下的開關狀態組合

圖6 頻率可重構微帶縫隙天線實測

在模式1時，天線的3 個PIN二極管均處于ON狀態，二極管的工作狀態為111，天線結構為三叉型，對天線的S11參數進行仿真和實測結果如圖7（a）中所示，從仿真S11的參數曲線可以發現天線具備3 個工作頻段（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，實測S11參數也擁有以上的變化趨勢，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現，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一致，工作頻帶內天線效率均能達到80%以上，增益也達到了3 dBi以上。

圖7 模式1 下參數曲線

在模式2 時，兩側PIN 二極管處于OFF 狀態，中間二極管處于ON 狀態，因此只有叉形的中間枝節工作，此時，二極管的工作狀態為010，天線結構為“十”字型，對此時的天線的S11參數進行仿真和實測，結果如圖8（a）中所示，可以發現天線仿真S11參數在12 dB附近出現1 個工作頻段（11.68～13.04 GHz），可用于Ku波段，實測S11參數和仿真有一定誤差，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）中可以發現在工作頻帶內天線效率可達到85%以上，增益最大也達到了4 dBi，具備良好的輻射。

圖8 模式2 下參數曲線

在模式3時，兩側PIN二極管處于ON狀態，中間二極管處于OFF狀態，因此只有叉形中間枝節不參與工作，此時，二極管的工作狀態為101，天線結構為“Y”型。對此時的天線的S11參數進行仿真和實測，結果如圖9（a）所示，從天線仿真和實測S11參數可以發現天線有2 個工作頻段分別是3.32～4.26 GHz和10 ～10.8 GHz，可用于S波段和波段，且實測數據吻合于仿真數據。由圖9（b）所示，在這2個頻帶內天線效率高達90%以上，增益也達到了1.8 dBi和3.4 dBi。

圖9 模式3 下參數曲線

在模式4時，3 個枝節均處于OFF 狀態，此時，二極管狀態為000，天線結構為“T”型，對此時的天線的S11參數進行仿真和實測，結果如圖10（a）所示，可以發現天線出現4個工作頻段（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S11參數可以發現天線有2 個工作頻段分別是3.32 ～4.26GHz和10 ～10.8 GHz，實測數據在低頻段（2.8 ～3.9 GHz）沒有達到-10 dB，在其他3 個頻段數據吻合于與仿真數據。由圖10（b）所示，在這2個頻帶內天線效率高達80%以上，增益也達到了5，3.3，4.3，3.6 dBi。

圖10 模式4 下參數曲線

綜上所述，通過控制D1，D2，D3的開關狀態，可以實現4個頻段的頻率可重構。天線可以應用于C 波段、S 波段、X波段、Ku波段等。針對本文設計的天線，在二極管D1，D2，D3處于不同狀態下，表3對天線仿真所得的工作頻段、中心頻率、頻點增益、頻點效率、應用場景5 個方面做出詳細的總結。

表3 天線不同工作狀態下的數據分析

表4為本文設計的具有多頻段的窄帶頻率可重構微帶縫隙天線和參考文獻中提到的天線進行比較。比較發現，本文設計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［14］和文獻［16］中天線具有5 種工作模式，但是都只有單個工作頻帶，而且二極管個數較多。因此，本文設計的天線工作頻段的選擇性更多，同時也是WiMAX、5G、數字微波接力通信機等應用的潛在候選。

表4 本文天線與參考文獻中天線的數據對比

3 結 論

本文提出了一種緊湊的多頻帶多模式的窄帶可重構天線，由傳統的縫隙天線改進而來，通過開槽的手段使天線模型為叉形結構，并且加入PIN二極管，可以實現4種模式的頻率可重構，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，通過對天線實物的測試，證明天線具有輻射性良好和效率高、增益良好等優點。