一種頻點連續(xù)可調(diào)的縫隙天線設(shè)計

汪 雷 陸東陽 于 映,2*

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

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

文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一款頻率可重構(gòu)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(xiàn)[3]設(shè)計了采用共面波導(dǎo)饋電的T 型縫隙天線,在縫隙兩端焊接2 個PIN 管,產(chǎn)生了2 個諧振頻點,分別為5.25GHz 和5.75GHz,文獻(xiàn)[4]介紹的事一款MIMO 天線,該天線在圓形輻射板和短路枝節(jié)之間焊接8 個變?nèi)荻O管,在反向偏置電壓的驅(qū)動下,使變?nèi)荻O管的結(jié)電容值在0pf 到2pf之間連續(xù)變化,頻點在1.55GHz 到2.9GHz 之間連續(xù)可調(diào)；目前研究頻率可重構(gòu)最多的是使用PIN 管和MEMS 開關(guān)來實現(xiàn)的,現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些采用可變電容結(jié)構(gòu)連續(xù)調(diào)節(jié)頻點的天線,但是對于兩者的組合研究的較少；由于開關(guān)和可變電容調(diào)節(jié)頻點的原理不同,因此兩者的組合使用更值得作進(jìn)一步的研究。

本文提出了一種基于PIN 管和變?nèi)荻O管實現(xiàn)的頻點連續(xù)可調(diào)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?nèi)荻O管和PIN 管,在PIN 管開啟后,通過給變?nèi)荻O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(xù)可調(diào)。

1 頻率可調(diào)縫隙天線的原理

縫隙是改變天線頻點的關(guān)鍵因素,當(dāng)天線處于工作狀態(tài)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(fā)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?nèi)荻O管來調(diào)節(jié)縫隙電容,根據(jù)變?nèi)荻O管的PN 結(jié)結(jié)電容隨著反向偏置電壓的增大而減小的原理[5],在變?nèi)荻O管的工作過程中,反向偏置電壓VR 增大,結(jié)電容Cj減小,導(dǎo)致頻率f 增加。從而實現(xiàn)調(diào)頻的目的。圖1 為變?nèi)荻O管的等效電路圖,根據(jù)下列公式(1)可以求出隨著外加偏壓的增大結(jié)電容減小,依據(jù)公式(2)、(3)計算出不同頻點所對應(yīng)的電容值,從而選擇合適的變?nèi)荻O管。

圖1 變?nèi)荻O管等效電路圖

式中Cj0是變?nèi)荻O管初始結(jié)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(diào)縫隙天線的設(shè)計

圖2 為頻率可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)圖,天線是印制在羅杰斯4350 的介質(zhì)板上,板材的尺寸為50mm*30mm,厚度為1.4mm,其相對介電常數(shù)為3.6,損耗角正切值為0.02,該天線的頻率可調(diào)范圍是2.45GHz～2.65GHz 和5 GHz～5.5GHz,通帶內(nèi)的反射系數(shù)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(shè)計為寬度為2mm 的窄縫,根據(jù)對偶關(guān)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(yīng)的波長,考慮到邊緣效應(yīng)帶來的影響,需要對縫隙長度進(jìn)行修正,設(shè)計中使用的型號為SMV1430-040LF 變?nèi)荻O管由思佳訊公司提供的,在反向偏置工作狀態(tài)下,它的等效電阻R=3.15Ω,等效電感L=1.8nH,電容變化區(qū)間為0.31pf～1.24pf,使用的PIN 管型號為BAR64-03WE6327,它的導(dǎo)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(shè)置偏置電路,a 為PIN 管,b 為變?nèi)荻O管,在兩個管子周圍設(shè)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(xiàn)兩個管子單獨工作。

圖2 可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)圖

其中εe是介質(zhì)板的有效介電常數(shù),通常用相對介電常數(shù)εr來表示有效介電常數(shù)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(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的反向電壓,實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)天線的諧振頻點,為了避免電壓過高對線路和變?nèi)荻O管的損壞,反向電壓限制最高值為20V,實現(xiàn)了天線頻點在6 種狀態(tài)下的連續(xù)可調(diào),仿真和測試獲到的反射系數(shù)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(jié)果與仿真基本吻合,由于PIN 管和變?nèi)荻O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(shù)狀態(tài)的S11 有著不同程度的偏移,在測試中出現(xiàn)6.5GHz 處出現(xiàn)諧振情況,因為在高頻情況下PIN 管的整流能力減弱同時變?nèi)荻O管的感抗增強(qiáng)導(dǎo)致的；仿真和測試結(jié)果的對比說明出設(shè)計的天線性能能夠達(dá)到預(yù)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(jié)果表明天線的性能處于較好狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于PIN 管和變?nèi)荻O管的頻率連續(xù)可重構(gòu)縫隙天線,通過控制輻射地板縫隙中的PIN 管導(dǎo)通和變?nèi)荻O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(xiàn)天線的諧振頻點在2.45GHz、4GHz、5GHz 附近的連續(xù)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(xiàn)了良好的阻抗匹配特性；仿真結(jié)果與測試驗證了設(shè)計的可行性,該天線可以用于無線藍(lán)牙、C 波段衛(wèi)星通信、WLAN無線局域網(wǎng)系統(tǒng)以及WiMAX(全球互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng))。