頻率可重構(gòu)的單極子天線設(shè)計(jì)

成 根， 段美玲， 李文妮， 韓麗萍

(1. 山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006； 2. 山西大學(xué) 外國(guó)語學(xué)院， 山西 太原 030006)

頻率可重構(gòu)的單極子天線設(shè)計(jì)

成 根1， 段美玲2， 李文妮1， 韓麗萍1

(1. 山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006； 2. 山西大學(xué) 外國(guó)語學(xué)院， 山西 太原 030006)

本文設(shè)計(jì)了一種頻率可重構(gòu)的單極子天線. 天線由一個(gè)階梯型饋線、 兩個(gè)L型枝節(jié)和一個(gè)矩形接地板組成. 兩個(gè)理想開關(guān)加載在饋線與枝節(jié)之間， 通過控制開關(guān)狀態(tài)改變天線的表面電流分布， 從而實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu). 天線的尺寸為35 mm×40 mm. 仿真和測(cè)量結(jié)果表明： 該天線可以在兩個(gè)單頻模式(2.4 GHz和5.2 GHz)以及一個(gè)雙頻模式(2.4 GHz/5.2 GHz)之間切換. 天線在不同模式下都具有穩(wěn)定的輻射方向圖.

階梯型饋線； 頻率可重構(gòu)； 單頻模式； 雙頻模式； 單極子天線

0 引 言

近年來， 隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展， 對(duì)移動(dòng)設(shè)備工作在不同應(yīng)用環(huán)境的需求日益增加. 可重構(gòu)天線依據(jù)設(shè)備所處應(yīng)用環(huán)境， 可以對(duì)天線的工作頻率、 輻射方向圖、 極化等特性進(jìn)行重構(gòu)， 并且具有成本低、 功能多、 體積小和易于集成等優(yōu)點(diǎn)， 引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.

頻率可重構(gòu)天線通過加載開關(guān)元件， 如PIN二極管[1]， 變?nèi)荻O管[2]， 射頻微機(jī)電系統(tǒng)(RF-MEMS)[3]， 以及GaAs場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)[4]等， 改變天線的表面電流分布， 從而改變天線的諧振頻率， 實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu). 然而， 許多頻率可重構(gòu)天線只能工作在單頻帶或雙頻帶模式. 文獻(xiàn)[5]在半圓形貼片上的調(diào)諧枝節(jié)中加載3個(gè)PIN二極管， 天線可以在4個(gè)單頻帶之間切換， 頻比為1.7∶1. 文獻(xiàn)[6]在L型縫隙中加載5個(gè)PIN二極管， 天線工作在6個(gè)單頻帶模式， 工作頻帶為2.2～4.75 GHz. 此外， 有學(xué)者在S型[7]、 T型[8]縫隙中加載PIN二極管， 通過控制二極管的狀態(tài)改變縫隙長(zhǎng)度， 實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu). 文獻(xiàn)[9]在兩個(gè)貼片單元分別刻蝕C型縫隙， 并在饋電網(wǎng)絡(luò)與兩個(gè)貼片單元的連接處加載一對(duì)PIN二極管， 天線工作在兩個(gè)雙頻帶模式和一個(gè)寬頻帶模式. 文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一個(gè)雙頻帶可重構(gòu)的縫隙天線， 在縫隙的適當(dāng)位置加載兩個(gè)變?nèi)荻O管， 通過控制變?nèi)荻O管的偏置電壓， 天線可以實(shí)現(xiàn)雙頻帶的切換.

本文設(shè)計(jì)了一種頻率可重構(gòu)的單極子天線. 在饋線與兩個(gè)L型枝節(jié)的連接處分別加載一個(gè)開關(guān)， 通過控制開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu). 仿真和測(cè)量結(jié)果表明天線可以工作在兩個(gè)單頻模式和一個(gè)雙頻模式.

1 天線設(shè)計(jì)

天線的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示. 該天線包括3層， 上層為饋線和輻射單元， 中間層為介質(zhì)基板， 下層為接地板. 輻射單元中兩個(gè)L型枝節(jié)分別實(shí)現(xiàn)不同的工作頻率， 階梯型饋線改善天線的阻抗匹配. 通過在饋線與兩個(gè)枝節(jié)的連接處分別加載一個(gè)開關(guān)并控制二極管的通斷， 改變天線的表面電流分布， 實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu). 設(shè)計(jì)的天線工作頻率為2.4 GHz和5.2 GHz， 利用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真. 選用相對(duì)介電常數(shù)為4.4， 厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)基板， 優(yōu)化的參數(shù)為：W=35 mm,L=40 mm,lf=11 mm,wf=3 mm,lp=7 mm,wp=6 mm,l1=3.7 mm,l2=4.8 mm,l3=16.2 mm,l4=8.5 mm,d=2 mm,lg=14 mm,wg=40 mm. 理想開關(guān)用尺寸為1 mm × 0.8 mm 的銅片代替， 用銅片的有無表示開關(guān)的導(dǎo)通和斷開. 表1給出了天線的工作模式.

表 1 天線的工作模式

圖 2 為天線的仿真反射系數(shù)曲線. 由圖2可知， 在模式1(S1導(dǎo)通，S2斷開)和模式2(S1斷開，S2導(dǎo)通)時(shí)， 天線工作在單頻模式， 諧振頻率分別為f1=2.4 GHz和f2=5.2 GHz； 在模式3(S1導(dǎo)通，S2導(dǎo)通)時(shí)， 天線工作在雙頻模式， 諧振頻率為f1/f2=2.4/5.2 GHz.

圖 1 頻率可重構(gòu)天線示意圖Fig.1 Configuration of frequency reconfigurable antenna

圖 2 天線仿真反射系數(shù)曲線Fig.2 Simulated reflection coefficients of antenna

為了說明天線的工作原理， 對(duì)天線3種工作模式的表面電流分布進(jìn)行了研究， 如圖 3 所示. 圖3(a)和圖3(c)給出了天線模式1和模式3諧振頻率為f1的電流分布， 由圖可知， 電流主要集中在較長(zhǎng)的L型枝節(jié). 在模式2和模式3， 諧振頻率f2的電流主要集中在較短的L型枝節(jié)和階梯型饋線邊緣， 如圖3(b) 和3(d)所示.

2 天線參數(shù)分析

通過對(duì)天線進(jìn)行敏感性分析， 發(fā)現(xiàn)階梯型饋線主要影響天線的匹配性能， L型枝節(jié)長(zhǎng)度影響天線的諧振頻率. 在分析某一參數(shù)對(duì)天線性能的影響時(shí)， 其它參數(shù)均保持不變. 圖 4 和圖 5 分別給出了在模式3情況下階梯型饋線長(zhǎng)度lp和寬度wp對(duì)天線反射系數(shù)的影響. 從圖4中可以看出， 隨著lp的增加， 天線高頻段的阻抗匹配逐漸變好. 由圖 5 可知， 采用普通微帶饋線(wp=wf=3 mm)時(shí)， 天線高頻部分阻抗匹配很差， 采用階梯型饋線時(shí)高頻段的匹配性能得到明顯改善. 圖 6 給出在模式3情況下l1和l2變化時(shí)的反射系數(shù)曲線. 從圖中可以看出， 隨著l1或l2的增加， 諧振頻率f2逐漸降低， 而f1保持不變. 圖 7 為在模式3的情況下，l3和l4對(duì)天線反射系數(shù)的影響. 由圖可知， 隨著l3或l4的減少， 諧振頻率f1逐漸變大， 而f2基本不變.

圖 4 lp對(duì)反射系數(shù)的影響Fig.4 Effect of lp on reflection coefficients in mode 3

圖 5 wp對(duì)反射系數(shù)的影響Fig.5 Effect of wp on reflection coefficients in mode 3

圖 6 l1和l2對(duì)反射系數(shù)的影響Fig.6 Effect of l1 and l2 on reflection coefficients in mode 3

圖 7 l3和l4對(duì)反射系數(shù)的影響Fig.7 Effect of l3 and l4 on reflection coefficients in mode 3

3 仿真和測(cè)量結(jié)果

天線印制在相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上， 圖 8 為天線的實(shí)物圖. 采用Agilent公司N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的反射系數(shù)， 采用Lab-Volt公司8092型自動(dòng)天線測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量天線的方向圖和增益.

圖 8 天線實(shí)物圖Fig.8 Photos of antenna

圖 9 為天線仿真和測(cè)量的反射系數(shù)曲線. 天線的測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合. 從圖中可以看出， 天線能夠?qū)崿F(xiàn)3個(gè)不同的工作模式： 2.4 GHz和5.2 GHz兩個(gè)單頻模式以及2.4 GHz/5.2 GHz一個(gè)雙頻模式， 每個(gè)模式的-10 dB帶寬分別為9.5% (2.31～2.54 GHz)， 9.1% (4.95～5.42 GHz)以及10.5% (2.23～2.48GHz)/12.6% (4.87～5.41 GHz). 仿真和測(cè)量結(jié)果的差異主要是由介質(zhì)基板介電常數(shù)的偏差以及制作誤差引起.

圖 9 天線仿真和測(cè)量的反射系數(shù)曲線Fig.9 Simulated and measured reflection coefficients of the antenna

圖 10 是天線仿真和測(cè)量的歸一化輻射方向圖. 從圖中可以看出， 測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致. H面的方向圖基本是全向型， E面的方向圖基本呈“8”字型. 天線在模式1， 模式2和模式3的峰值增益分別為2.86, 1.91,以及1.67/2.45 dBi， 滿足無線通信系統(tǒng)的要求.

圖 10 天線仿真和測(cè)量輻射方向圖Fig.10 Simulated and measured radiation patterns of the antenna

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種頻率可重構(gòu)的單極子天線. 通過在饋線與兩個(gè)L型枝節(jié)的連接處分別加載一個(gè)開關(guān)， 控制開關(guān)的狀態(tài)， 選擇相應(yīng)的輻射單元， 實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu). 天線在各個(gè)模式具有穩(wěn)定的輻射性能并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易制作， 可以滿足Bluetooth， WLAN等無線通信系統(tǒng)使用.

[1] Majid H A, Abdul Rahim M K, Hamid M R, et al. Frequency-reconfigurable microstrip patch-slot antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2013, 12: 218-220.

[2] Gu H, Wang J P, Ge L. Circularly polarized patch antenna with frequency reconfiguration[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015, 14: 1170-1173.

[3] Zohur A, Mopidevi H, Rodrigo D, et al. RF MEMS reconfigurable two-band antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2013, 12: 72-75.

[4] Yang X L, Lin J C, Chen G, et al. Frequency reconfigurable antenna for wireless communications using GaAs FET switch[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015, 14: 807-810.

[5] Desmond Sim C Y, Han T Y, Liao Y J. A frequency reconfigurable half annular ring slot antenna design[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014, 62: 3428-3431.

[6] Majid H A, Rahim M K A, Hamid M R, et al. A compact frequency-reconfigurable narrowband microstrip slot antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, 11: 616-619.

[7] Peroulis D, Sarabandi K, Katehi L P B. Design of reconfigurable slot antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2005, 53: 645-654.

[8] Anagnostou D E, Gheethan A A. A coplanar reconfigurable folded slot antenna without bias network for WLAN applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009, 8: 1057-1060.

[9] Abutarboush H F, Nilavalan R, Cheung S W, et al. A reconfigurable wideband and multiband antenna using dual-patch elements for compact wireless devices[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, 60: 36-43.

[10] Behdad N, Sarabandi K. Dual-band reconfigurable antenna with a very wide tunability range[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2006, 54: 409-416.

Design of Frequency-Reconfigurable Monopole Antenna

CHENG Gen1, DUAN Meiling2, LI Wenni1, HAN Liping1

(1. College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China;2. College of Foreign Language, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

This paper presents a frequency-reconfigurable monoole antenna. The antenna consist of a stepped microstrip feed line, two L-shaped stubs and a rectangular ground plane, and two ideal switches are loaded between microstrip feed line and stubs. By changing the states of the switches, the current distribution will be altered, and then frequency reconfigurability is achieved. The overall size of the antenna is 35 mm × 40 mm. The simulated and measured results show that the proposed antenna can operate at two single-band modes (2.4 GHzand 5.2 GHz) and a dual-band modes (2.4 GHz/5.2 GHz).The proposed antenna has a stable radiation patterns in different modes.

stepped feed line; frequency reconfigurability; single-band model; dual-band model; monopole antenna

1671-7449(2017)02-0148-05

2016-12-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61172045)； 國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(J1210036)； 山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012011013-3)

成 根(1993-)， 男， 碩士生， 主要從事可重構(gòu)微帶天線研究

TN821+.3

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.010