一种小型化五频段可重构蝶形天线的设计

王安国 陈 彬 冷 文 赵国煌

（天津大学电子信息工程学院，天津300072）

引 言

随着无线技术飞速发展和通信业务量的不断攀升，使得通信系统正朝着小型化、多频段、大容量、多功能、超宽带的方向演进.为了能够满足这种要求，需要在同一通信平台上搭载多种天线和信息处理子系统，这不仅造成了系统的生产成本增高，总体积和总重量显著增加，而且使得不同子系统之间电磁干扰日益严重.这些问题对于机载雷达、浮空平台和小型化设备（例如手机等）等通信系统来说是致命的.为此，人们迫切的需要一种“万能”的天线，即可以通过一种天线能够提供多种工作频段、实现辐射方向图扫描或者改变天线的极化方式.鉴于此，研究者们提出了可重构天线的概念［1-2］.

可重构天线的特点是同一天线或阵列通过动态改变其物理结构或尺寸，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径［3］.可重构天线按照功能可分为：频率可重构天线，辐射方向图可重构天线和极化可重构天线［4］.其中，频率可重构天线具有多种可切换的工作频段，可用一个天线代替多个天线，使得通信系统的馈电设备、信息处理系统获得了极大的简化，降低了成本，减小了系统体积，减轻了系统重量，降低了子系统间的电磁干扰.因此，频率可重构迅速成为了研究的热点.

频率可重构天线的工作原理是通过改变天线有效电长度来实现工作频率的可重构.具体的实现方式主要有两种：一种是改变天线的辐射单元结构，即先在天线上加载寄生单元、蚀刻槽缝或使用缺陷地结构，然后通过控制射频开关、变容二极管等器件动态地改变天线辐射面结构和电流路径［5-8］.另一种是改变馈电网络，即通过改变馈电位置或者采用多点交替馈电的方法来实现频率的可重构［9］.

目前，国内外学者已对频率可重构天线做了大量的研究并提出了多种频率可重构天线.文献［10］给出了一种依靠改变馈电位置和接地结构来实现频率可重构的天线，但该天线的尺寸较大，方向图的全向辐射特性也不够明显.文献［11］提出一款通过改变加载槽缝长度的方法来实现可重构的天线，但是该天线可重构的频段较少且尺寸较大.

传统的微带贴片天线由于自身电磁特性的原因，其带宽往往比较窄，一种拓展带宽的方法就是增加寄生贴片［12］.基于寄生单元加载技术，本文设计了一款平面频率可重构小型化蝶形天线.该天线通过控制馈线的长度以及馈线与寄生辐射单元的导通状态，改变天线结构和有效电长度，从而实现频率可重构的目的.天线具有尺寸小、易加工、平面结构、易共形、成本低、近似全向辐射特性、增益较高等优点，可适用于 UMTS（1 920～2 170MHz）、WCDMA（1 920～2 170MHz）、WiBro（2 300～2 390MHz）、LTE2300（2 305～2 400MHz）、Bluetooth（2 400～2 484MHz）、Zigbee（2 400～2 834MHz）、Wimax（3 400～3 690MHz）、C Band（3 700～4 200 MHz）、WLAN（2 400～2 484MHz，5.15～5.875 GHz）等无线通信系统［13-14］.

1 天线结构与设计

天线的结构和尺寸如图1所示.天线印刷在介电常数εr＝4.4，厚度为1.6mm的环氧树脂（FR4）介质板上，因其结构类似于蝶形，故称为蝶形天线.该天线由U型馈电线、矩形寄生单元（＃1～＃12）、矩形接地面组成，天线尺寸较小，总尺寸仅为35 mm×38mm×1.6mm.其中，寄生辐射单元长度的计算方法是：先由天线有效电长度（寄生单元长度与相应馈电带线长度之和）得到寄生辐射单元的初始长度，再由电磁仿真软件对参数进一步优化.而天线的有效电长度约等于天线谐振时对应工作波长的一半，其计算可以参考以下经验公式［15］

式中：Leff是天线有效辐射电长度，mm；fres是谐振频率，GHz；εeff为有效介电常数；c是真空中的光速；h和W 分别是介质板厚度和超小A型（SMA）接头处微带线的宽度，mm.文中采用电磁仿真软件Ansoft HFSS 10.0对天线性能进行仿真和结构参数优化.

图1 天线的结构和尺寸图

值得注意的是，由于低频段对应的寄生辐射单元＃9和＃10距离馈电SMA接头较远，其馈电损耗和空间损耗相对较大.为此，在接地面增加寄生单元＃11和＃12，通过控制开关导通可以扩大接地面，有利于提高低频段性能.

天线工作状态与导通开关的关系如表1所示，图2给出了天线状态5的实物图.

表1 D1～D16通断状态及可重构频率

图2 天线（状态5）的实物图

2 实验结果及分析

实际测量中，选用Agilent公司E5071BENA（300kHz～8.5GHz）网络分析仪测量天线各参数.为验证概念和测量简单起见，文中开关用铜箔的连接与断开来代替［15］.

图3给出了天线不同工作模式下回波损耗的测量值.从测量结果可知，天线的回波损耗S11在-10 dB以下的频谱有：1.94～2.22GHz、2.32～2.54 GHz、3.08～3.78GHz、3.63～4.83GHz、4.82～6.85GHz，即天线在这些频段之间实现可重构.

辐射方向性是天线的另一个重要指标，一般的无线通信系统要求天线具有全向的辐射特性.为说明可重构天线的辐射特性，图4给出天线5种工作模式中5个有代表性工作频点（5.82GHz、3.81 GHz、3.5 1GHz、2.4 2GHz和2.0 4GHz）的方向图.由实测结果可以看出：天线的几种可重构模式均具有单极子天线的主要特征，即在H面（yoz平面）上具有近似全向的辐射特性，在E面（xoz平面）上具有双向（∞型结构）的辐射特性.同时，各频点的方向图增益轨迹较为稳定，且交叉极化相对较小.

图5给出了天线的测量增益曲线 .由图可知：天线工作模式不同，增益也不同，但总的来说各工作模式均具有较高的增益，介于2.9～5.5dBi之间，可以满足一般通信系统的要求.

图5 不同工作状态天线测量增益

3 结 论

文中提出了一种新型小型化五频段可重构天线.该天线采用紧凑平面蝶形结构，总尺寸仅为35 mm×38mm×1.6mm.天线具有多种可用频段，且各工作状态具有良好的全向辐射特性和较高的增益.可以通过控制寄生单元与馈电线的连接状态，实现天线工作频段选择.所设计的天线可以满足UMTS，WCDMA，WiBro，Bluetooth，LTE2300，Wimax，WLAN等系统的频谱要求.同时，天线具有平面结构、成本低、易共形、易加工等优点.因此，该可重构天线在多频段通信系统中具有较好的应用前景.

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