適用于3GPP信道的可重構(gòu)天線設(shè)計

楊永昌

(桂林航天工業(yè)高等?？茖W校學生工作部,廣西桂林541004)

1 引 言

自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)最近作為通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)被提出[1]。在該系統(tǒng)中,一些參數(shù),如調(diào)制和編碼速率是動態(tài)適應(yīng)不同的信道條件。在文獻[2]中,通過采用可重構(gòu)天線陣列,引入一個新的參數(shù),以提高系統(tǒng)的靈活性,即在MIMO系統(tǒng)中,把天線結(jié)構(gòu)和輻射/偏振特性作為一個整體參數(shù)來進行優(yōu)化配置。因此,可通過選擇正確的可重構(gòu)天線的輻射模式來提高系統(tǒng)容量[3]。到現(xiàn)在為止,已經(jīng)有很多的天線可重構(gòu)方案被提出[4-7]。但這些方案設(shè)計的天線都工作在2.4 GHz WLAN頻段,在UMTS頻段(1 920～2 170 MHz)的可重構(gòu)天線設(shè)計則沒有相應(yīng)的可行性天線設(shè)計方案,與WLAN頻段的天線相比,UMTS可重構(gòu)天線面臨的技術(shù)問題是較低的工作頻率、較寬的系統(tǒng)帶寬和可接受的天線隔離度問題。

本文設(shè)計了支持選擇功能的能適應(yīng)3GPP信道的兩單元天線系統(tǒng),該天線系統(tǒng)工作在UMTS頻段(1 920～2 170 MHz),在工作頻率、系統(tǒng)帶寬利用率以及兩天線之間的隔離度方面都達到了系統(tǒng)工作的要求。

2 選擇電路及兩單元天線系統(tǒng)的設(shè)計

可重構(gòu)天線系統(tǒng)中天線選擇電路的設(shè)計至關(guān)重要,進行選擇電路的設(shè)計時需要注意以下問題:

(1)未選擇的天線不能簡單地將其通過開關(guān)管的“關(guān)”狀態(tài)斷開(圖1(a));

(2)開關(guān)管的直流和射頻通路要隔開,以避免產(chǎn)生相應(yīng)的干擾。

為了避免傳統(tǒng)開關(guān)電路中出現(xiàn)的簡單隔絕措施和缺少隔直隔射頻,本設(shè)計方案采取了以下的措施予以解決:

如果某天線未被選擇,通過開關(guān)管的“關(guān)”狀態(tài)將未被選中的天線與饋線斷開,同時另一個開關(guān)管處于“開”狀態(tài),將其與一個匹配的電阻進行連接,以減小整個多天線系統(tǒng)的源端變化;否則通過開關(guān)管的“關(guān)”狀態(tài)將被選中的天線與匹配的電阻斷開,同時另一個開關(guān)管處于“開”狀態(tài),將該天線與饋線進行連接。此外,射頻通路設(shè)計有隔直電容,直流通路有射頻阻斷電感,以降低直流和射頻通路之間的干擾,如圖1(b)所示。

圖1 本文設(shè)計的開關(guān)電路Fig.1 The proposed switching circuit

如圖2所示,設(shè)計了支持選擇功能的兩單元天線系統(tǒng)。具體實現(xiàn)時,開關(guān)管選擇了PIN二極管開關(guān),匹配電阻以及其他元件都選擇了表面貼裝形式,以盡量減小對原天線系統(tǒng)的影響。

圖2 天線結(jié)構(gòu)Fig.2 The antenna structure

圖2中右側(cè)圖為左側(cè)圖的局部放大圖,深色部分是top layer,淺色部分是bottom layer,天線尺寸為95 mm×60 mm×0.8 mm,介電常數(shù)4.4,圖中下方的Connector是為了測試方便增加的。

3 天線性能測試

在3GPP信道模型下對天線的散射(S)參數(shù)進行測試,結(jié)果如圖3所示。

圖3 天線系統(tǒng)的S參數(shù)Fig.3 S-parameters of the antenna system

如圖3所示,當兩個單元都被選擇時,單元1的帶寬為415MHz(1 790～2 205MHz),單元2的帶寬為395MHz(1 805～2 200 MHz),很好地覆蓋了UMTS頻段,同時在該頻段內(nèi)的隔離度大于12.5 dB;僅單元1被選擇時的S11和兩單元都被選擇時的S11比較,帶寬基本未變,為410MHz(1 790～2 200 MHz);僅單元2被選擇時的S22和兩單元都被選擇時的S22比較,帶寬也基本未變,為390MHz(1 805～2 195MHz)。

最后,在3GPP信道模型下對天線方向圖的穩(wěn)定性進行了測試,如圖4所示。測試結(jié)果表明:兩天線的方向圖在空間中依然保持了基本互補,可以提供方向圖分集來對抗無線環(huán)境中的多徑衰落;從3個平面兩個極化方向的方向圖可以看出,天線的方向圖保持了較高的穩(wěn)定性,即未被選擇的天線不會影響其他被選擇的天線的方向圖。因此,天線選擇的可實現(xiàn)性得到了初步驗證。

圖4 天線系統(tǒng)的方向圖測試結(jié)果Fig.4 The pattern of antenna system

4 結(jié) 論

本文在UMTS頻段構(gòu)建了一個緊湊的可重構(gòu)天線,該天線陣列由兩個混合單極和偶極子單元組成。對于每個單元,通過控制3個PIN二極管的狀態(tài),構(gòu)成兩種工作模式:單極模式和偶極子模式。根據(jù)實測結(jié)果,天線陣中的4種模式中的任何一種都可以覆蓋UMTS頻段。本文構(gòu)建的兩天線可重構(gòu)天線系統(tǒng)不僅拓展了寬帶多天線系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力,還提高了系統(tǒng)頻譜利用效率。同時,各種形式下的天線方向圖保持了較高的穩(wěn)定性,即未被選擇的天線不會影響其他被選擇的天線的方向圖,沒有對通信系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

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