适用于3GPP信道的可重构天线设计

杨永昌

(桂林航天工业高等专科学校学生工作部,广西桂林541004)

1 引 言

自适应无线通信系统最近作为通信系统的关键技术被提出[1]。在该系统中,一些参数,如调制和编码速率是动态适应不同的信道条件。在文献[2]中,通过采用可重构天线阵列,引入一个新的参数,以提高系统的灵活性,即在MIMO系统中,把天线结构和辐射/偏振特性作为一个整体参数来进行优化配置。因此,可通过选择正确的可重构天线的辐射模式来提高系统容量[3]。到现在为止,已经有很多的天线可重构方案被提出[4-7]。但这些方案设计的天线都工作在2.4 GHz WLAN频段,在UMTS频段(1 920～2 170 MHz)的可重构天线设计则没有相应的可行性天线设计方案,与WLAN频段的天线相比,UMTS可重构天线面临的技术问题是较低的工作频率、较宽的系统带宽和可接受的天线隔离度问题。

本文设计了支持选择功能的能适应3GPP信道的两单元天线系统,该天线系统工作在UMTS频段(1 920～2 170 MHz),在工作频率、系统带宽利用率以及两天线之间的隔离度方面都达到了系统工作的要求。

2 选择电路及两单元天线系统的设计

可重构天线系统中天线选择电路的设计至关重要,进行选择电路的设计时需要注意以下问题:

(1)未选择的天线不能简单地将其通过开关管的“关”状态断开(图1(a));

(2)开关管的直流和射频通路要隔开,以避免产生相应的干扰。

为了避免传统开关电路中出现的简单隔绝措施和缺少隔直隔射频,本设计方案采取了以下的措施予以解决:

如果某天线未被选择,通过开关管的“关”状态将未被选中的天线与馈线断开,同时另一个开关管处于“开”状态,将其与一个匹配的电阻进行连接,以减小整个多天线系统的源端变化;否则通过开关管的“关”状态将被选中的天线与匹配的电阻断开,同时另一个开关管处于“开”状态,将该天线与馈线进行连接。此外,射频通路设计有隔直电容,直流通路有射频阻断电感,以降低直流和射频通路之间的干扰,如图1(b)所示。

图1 本文设计的开关电路Fig.1 The proposed switching circuit

如图2所示,设计了支持选择功能的两单元天线系统。具体实现时,开关管选择了PIN二极管开关,匹配电阻以及其他元件都选择了表面贴装形式,以尽量减小对原天线系统的影响。

图2 天线结构Fig.2 The antenna structure

图2中右侧图为左侧图的局部放大图,深色部分是top layer,浅色部分是bottom layer,天线尺寸为95 mm×60 mm×0.8 mm,介电常数4.4,图中下方的Connector是为了测试方便增加的。

3 天线性能测试

在3GPP信道模型下对天线的散射(S)参数进行测试,结果如图3所示。

图3 天线系统的S参数Fig.3 S-parameters of the antenna system

如图3所示,当两个单元都被选择时,单元1的带宽为415MHz(1 790～2 205MHz),单元2的带宽为395MHz(1 805～2 200 MHz),很好地覆盖了UMTS频段,同时在该频段内的隔离度大于12.5 dB;仅单元1被选择时的S11和两单元都被选择时的S11比较,带宽基本未变,为410MHz(1 790～2 200 MHz);仅单元2被选择时的S22和两单元都被选择时的S22比较,带宽也基本未变,为390MHz(1 805～2 195MHz)。

最后,在3GPP信道模型下对天线方向图的稳定性进行了测试,如图4所示。测试结果表明:两天线的方向图在空间中依然保持了基本互补,可以提供方向图分集来对抗无线环境中的多径衰落;从3个平面两个极化方向的方向图可以看出,天线的方向图保持了较高的稳定性,即未被选择的天线不会影响其他被选择的天线的方向图。因此,天线选择的可实现性得到了初步验证。

图4 天线系统的方向图测试结果Fig.4 The pattern of antenna system

4 结 论

本文在UMTS频段构建了一个紧凑的可重构天线,该天线阵列由两个混合单极和偶极子单元组成。对于每个单元,通过控制3个PIN二极管的状态,构成两种工作模式:单极模式和偶极子模式。根据实测结果,天线阵中的4种模式中的任何一种都可以覆盖UMTS频段。本文构建的两天线可重构天线系统不仅拓展了宽带多天线系统的环境适应能力,还提高了系统频谱利用效率。同时,各种形式下的天线方向图保持了较高的稳定性,即未被选择的天线不会影响其他被选择的天线的方向图,没有对通信系统产生不利影响。

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