GSM和GPS频段的单极子可重构天线的设计

梁婵君，项铁铭，官伯然

（杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江杭州310018）

0 引 言

随着现代通信技术的发展，为实现通信、导航、制导等目的，各种发射、接收天线大量在同一平台上安装的情形越来越多。这样，一个平台上面的负载越来越大且电磁兼容问题成为首要问题。如何用一个天线实现多个天线的功能，成为首要研究的问题［1］。可重构天线有多个功能的天线，它可以在不改变整个天线尺寸的情况下，通过改变天线辐射单元的结构和位置，来实时地改变天线的工作频率、极化方向和辐射方向等［2、3］。而且可重构天线提高了各个频段间的隔离度，减少了串扰；同时每次工作在小的带宽内，使容量减小，提高效率。目前，频率可重构天线已成为可重构天线研究的热点和重点。

1 小型化频率可重构微带天线的设计

由于平面曲折结构紧凑，本文采用该结构来实现天线的小型化。平面曲折结构的小型化微带缝隙天线结构图如图1所示。

图1 平面结构的小型化微带缝隙天线结构图

图 1 中，天线板材选用 Taconic TLX-8，其中介电常数为2.55，厚度为0.76mm，tanδ=0.001 9。天线的尺寸是100mm×60mm×0.76mm。天线由直辐射缝隙和两个结构对称、绕向相反的平面“S”缝隙组成。直辐射缝隙长90mm，宽2mm。两个平面曲折缝隙上的等效磁流远区辐射场部分抵消，辐射效率很低，它的缝隙宽度是0.9mm。微带馈线特性阻抗为50Ω，馈线中心和辐射缝隙中心相距39.5 mm，天线辐射缝隙至开路端馈线的长度为27.1mm，采用折线结构使天线更加紧凑。

天线谐振频率为900 MHz，直辐射缝隙长度90 mm，约为1/4谐振波长。而在谐振频率为900 MHz的标准直缝隙微带缝隙天线中辐射缝隙长度为150.4mm。可见，采用平面曲折结构可以明显降低天线辐射缝隙的长度，减小天线尺寸。

2 多频段小型化天线的实现

为了实现天线工作频率的可重构，使用MEMS开关来改变天线的谐振频率，使天线工作在多个频段上［2、4、5］。文献2设计制作了多频段的可重构天线，当各个贴片之间的开关全部断开时，用于X波段；而当开关全部闭合时，用于L波段。而这些天线都是直接在辐射缝隙上加载开关器件，天线的频率的电调特性对开关器件的特性非常敏感［6］。

本文在图1所示天线的曲折缝隙上对称跨接6只MEMS开关，改变MEMS开关的状态能够达到调整天线工作频率的目的，并且这种非主辐射缝隙上的加载方式明显降低了天线的频率电调特性对开关器件特性的强烈依赖。MEMS开关导通或截止时，曲折缝隙仍为非主辐射缝隙，同时辐射方向图基本保持一致。MEMS开关组的每一个状态都是改变微带天线的有效长度，不同的等效长度对应于不同的谐振频率。

本文的设计中选择悬臂接触式MEMS开关［7、8］，因为这种开关结构适合工作于射频的较低频段，而且具有很小的插入损耗。本文使用电磁场仿真软件Ansoft HFSS 10对悬臂接触式MEMS开关进行了建模仿真，开关结构如图2所示。仿真优化后确定的MEMS开关尺寸参数为信号线宽度w=0.1mm，信号线间隙 s=0.1mm，气隙高度为 g=7.5μm，开关整体尺寸为 0.9mm×0.3mm×0.02mm。

悬臂式MEMS开关的结构图如图2所示，开关闭合时的结构，如图2（a）所示；开关断开结构，如图2（b）所示；开关俯视图，如图2（c）所示；开关在软件中的仿真结构如图2（d）所示。

图2 悬臂式MEMS开关结构图

开关导通状态下接触式MEMS开关插入损耗的电磁仿真结果，如图3（a）所示；开关反射损耗的电磁仿真结果，如图3（b）所示；开关关闭状态下，开关的插入损耗，如图3（c）所示。可以看出，在800-2 000MHz内，导通状态下，MEMS开关的插入损耗小于0.017 dB，反射损耗均在-35 dB以下；断开状态下，MEMS开关的插入损耗小于-43 dB。

仿真结果表明，本文设计采用的悬臂接触式MEMS开关具有良好的传输特性，隔离度和插入损耗的仿真结果十分理想。

为实现频率可重构，本文在天线上对称地添加了3对MEMS开关，图1中开关的各种状态如表1所示。在图1中标注了开关组1，2，3的具体位置，当开关断开时记为0，闭合时记为1。

表1 MEMS开关的状态

图3 MEMS开关参数值

利用IE3D 10电磁仿真软件对图1中天线的各种状态进行了仿真。MEMS开关组在不同状态下天线S11曲线，如图4所示。

图4 在不同谐振频率下可重构天线的回波损耗S11

图4中，微带天线在GSM 900 MHz频段，带宽80 MHz（840-920 MHz）；微带天线在GPS频段，带宽50 MHz（1 530-1 580 MHz）；微带天线在DCS 1 800的反射损耗，DCS 1 800 MHz频段90 MHz（1 770-1 860 MHz）；微带天线在PCS 1 900频段，带宽120 MHz（1 850-1 970 MHz）。

IE3D电磁仿真软件对天线的方向图特性也进行了仿真天线在900MHz，1 580MHz，1 800MHz，1 900 MHz上的E面、H面增益方向图，如图5所示，基本保持不变。天线增益分别是2.64 dBi，2.64 dBi，2.99 dBi，2.18 dBi。

3 结束语

本文采用平面曲折结构，实现了微带缝隙天线小型化，天线结构更加紧凑。并在平面曲折结构加载MEMS开关，通过直流偏置电压来控制天线的谐振长度，进而实现天线工作频率在GSM和GPS频段上可调，由于采用曲折结构，实现天线的小型化，比直缝隙减小了40%。

图5 各频段的辐射方向图

［1］ 杨雪松，王秉中.可重构天线的研究进展［J］.系统工程与电子技术，2003，25（4）：417-419.

［2］ 顾长青，韩国栋.Hilbert缝隙天线的频率可重构设计［J］.南京航空航天大学学报，2006，38（6）：660-665.

［3］ 陈轶博，焦永昌，张福顺，等.极化可变可重构微带天线［J］.微波学报，2008，24（1）：40-41.

［4］ 单福琪.分形及PBG理论用于MEMS可重构天线研究［D］.北京：清华大学，2005：87-98.

［5］ Fathy A，Rosen A，Owen H，et al.Silicon Based reconfigurable Antennas［J］.In IEEEMTT-S，2001，1（5）：377-380.

［6］ 魏文博，尹应增，郭景丽，等.小型化微带缝隙可重构天线［J］.西安电子科技大学学报（自然科学版），2007，34（4）：562-565.

［7］ 戴永胜，方大纲，张宇峰，等.毫米波悬臂梁串联反射型接触式RF-MEMS开关的研究［J］.微波学报，2008，24（3）：74-77.

［8］ 郑惟斌，黄庆安，李拂晓.微波电路的MEMS开关进展［J］.微波学报，2001，17（3）：88-90.