一种频率可重构缝隙天线的设计

商 锋, 杨立博, 董 闯

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

频率可重构天线(frequency reconfigurable antenna, FRA)是一种可以切换工作频率，同时保持辐射方向图基本不变的一种新型天线[1]。频率可重构天线既能应用在支持多个通讯标准的无线通信设备中，也可以应用于舰船，卫星，飞机等需要实现通信、定位、制导、遥测多项功能的大型载体上。采用频率可重构天线可以减少这些载体搭载的天线数量，降低系统的体积和维护费用[2-3]。

频率可重构天线的设计通常采用PIN二极管、射频微机电系统(micro electro mechanical systems，MEMS)、变容二极管等射频微波开关与微带天线、缝隙天线或者偶极子天线相结合的方法[4]。

文献[5]设计了一种宽缝隙频率可重构天线，利用在馈线中间安放两个PIN二极管来调节天线的馈线长度，实现了在1.4 GHz、2.5 GHz和2.65 GHz三个频点间相互切换；文献[6]中设计的频率可重构天线通过两个PIN二极管将两个小的矩形槽和主辐射槽相连，当改变PIN二极管的工作状态时，主辐射槽与两个小矩形槽的连接状态也随之改变，天线可以在1.9 GHz，2.1 GHz和2.3 GHz三个频点间切换。文献[7]中设计的频率可重构天线通过使用开关改变环形槽的长度实现天线的频率可重构，该天线可以在3 GHz和8.3 GHz两个频点间相互切换。

利用文献[5-7]中的设计理论，本文设计出一种频率可重构缝隙天线，增加了两个可以满足C波段卫星通信(3.7～4.2 GHz)和WLAN(5.25～5.85 GHz)通信需求的工作频点。

1 缝隙天线的设计原理

缝隙天线的基本结构是在一个薄介质基片的一面附上金属薄层作为接地板，用光刻腐蚀方法在接地板表面刻出一道细长的缝隙，在介质基片的另一面制成一定形状的金属贴片作为馈电微带线。当给微带缝隙天线馈电以后，电磁波经过微带传输线将能量耦合进缝隙并辐射出去[8-9]。为了保证缝隙天线工作在指定的频率上，缝隙的长度l应取

(1)

式中λg表示的是介质波长。但是，在实际设计天线时，考虑到边缘效应的影响，需要对缝隙的长度进行修正，修正量Δl的计算公式为

(2)

式中εe是介质基板的有效介电常数，w是天线的尺寸，h是介质板厚度。通常情况下，εe可以表示为

(3)

其中εr是介质基板的相对介电常数。因此，实际的缝隙尺寸应当为

(4)

根据上述理论，通过使用HFSS软件进行仿真模拟和优化，最终得到的天线结构如图1和图2所示。

图1 天线正面结构

图2 天线背面结构

优化后天线的尺寸和介质板厚度分别为

w=27 mm，h=0.8 mm，

介电常数7.0。天线正面的馈电微带线采用中心馈电的方法，阶梯式的馈电微带线的可以为天线在宽带范围内提供良好的阻抗匹配。阶梯状馈电微带线的参数尺寸分别为

a=8.4 mm,b=9.5 mm,c=7.5 mm,d=1.7 mm。

天线天线背面是接地平面，接地平面上的缝隙为天线的辐射缝隙，缝隙的长度l和宽度s分别为

l=24 mm，s=1 mm，

为缝隙天线提供2.54GHz的工作频率。

2 实现频率可重构的方法

实现天线工作频率的可重构可以采用改变天线的物理结构，或者是改变电长度等方法[10-11]。为了实现天线工作频率的可重构性，设计的天线采用了在缝隙上跨接7个PIN二极管开关的方法，通过控制PIN二极管的通断来达到改变天线辐射缝隙的长度，实现频率可重构的目的[12]。如图3所示，加载在缝隙中的7个PIN二极管开关呈对称分布，共分为4组。其中S1、S7为第一组，S2、S6为第二组，S3、S5为第三组，S4单独为一组。

图3 PIN二极管的分布位置

频率可重构缝隙天线工作频率设计为2.54/2.96/3.54/4.1/5.34GHz。第一组二极管开关距缝隙短边的距离取值为e=1.5 mm，第二组PIN二极管开关距离缝隙短边的距离取值为f=3.5 mm，第三组PIN二极管开关距离缝隙短边的距离取值为g=4.9 mm,最后一组PIN二极管开关距离缝隙短边的距离取值为i=12 mm。另外在HFSS仿真设计中，将PIN二极管的导通与关闭的状态设为理想状态，即二极管导通时为一个短路通路，使用小铜片来模拟；关闭时为一个开路，删除小铜片来模拟。

在表1中显示了天线不同的状态下所对应的各组PIN二极管的工作情况。

表1 PIN二极管工作状态表

在状态1时，各组PIN二极管均不工作，此时缝隙天线的缝隙长度l=24 mm,工作频率为2.54 GHz；在状态2时，第一组PIN二极管导通，此时天线的辐射缝隙变短，长度约为20 mm，对应的天线工作频率变高为2.96 GHz；在状态3时，第二组二极管导通，此时天线的辐射缝隙进一步变短，天线的工作频率继续向高频变化，工作频率变为3.54 GHz；在状态4时，第三组二极管导通，此时天线的工作频率随着辐射缝隙的变短继续变高，为4.1 GHz；在状态5时，第四组二极管导通，此时天线工作频率为5.34 GHz。通过控制各组PIN二极管开关的工作状态，实现了天线的频率可重构性。

3 仿真结果

根据所选取的天线参数，使用HFSS软件仿真分别得到所设计的频率可重构缝隙天线的回波损耗如图4所示，天线在5个不同频段所对应φ=0°时的辐射方向图分别如图5—9所示，以及φ=90°时的辐射方向图分别如图10—14所示。

图4 天线的回波损耗

从图4可以看出，天线在各个工作状态下的回波损耗均小于-15dB，说明天线匹配情况良好。

图5 2.54GHz φ=0°辐射方向图

图6 2.96GHz φ=0°辐射方向图

图7 3.54GHz φ=0°辐射方向图

图8 4.1GHz φ=0°辐射方向图

图9 5.34GHz φ=0°辐射方向图

图10 2.54GHz φ=90°辐射方向图

图11 2.96GHz φ=90°辐射方向图

图12 3.54GHz φ=90°辐射方向图

图13 4.1GHz φ=90°辐射方向图

图14 5.34GHz φ=90°辐射方向图

由图5～9可以看出，天线在各个频点工作时对应的φ=0°时的辐射方向图大致一样，基本为一个圆形。但高频点5.34GHz对应的方向图略微发生了变形，这种变形是由于相比于低频工作点，在高频点处的天线匹配情况较差而引起的。

由图10～14可以看出，天线在各个工作频点所对应φ=90°时的辐射方向图大致一样，为一个“8”字形。由于在高频点5.34 GHz处天线的回波损耗比低频点处的回波损耗较大，因此，天线匹配情况较差，方向图发生了小幅形变，但基本保持了“8”字形状。

4 结束语

以缝隙天线作为原型，采用在天线辐射缝隙上跨接PIN二极管方式，通过改变PIN二极管的工作状态来改变辐射缝隙长度的方法实现天线频率可重构的目的。HFSS的仿真结果显示，天线在5个工作频段下的回波损耗均低于-15 dB，天线的匹配情况良好，同时各个工作频点对应的辐射方向图基本不变。