频率可重构的单极子天线设计

成 根， 段美玲， 李文妮， 韩丽萍

(1. 山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006； 2. 山西大学 外国语学院， 山西 太原 030006)

频率可重构的单极子天线设计

成 根1， 段美玲2， 李文妮1， 韩丽萍1

(1. 山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006； 2. 山西大学 外国语学院， 山西 太原 030006)

本文设计了一种频率可重构的单极子天线. 天线由一个阶梯型馈线、 两个L型枝节和一个矩形接地板组成. 两个理想开关加载在馈线与枝节之间， 通过控制开关状态改变天线的表面电流分布， 从而实现频率可重构. 天线的尺寸为35 mm×40 mm. 仿真和测量结果表明： 该天线可以在两个单频模式(2.4 GHz和5.2 GHz)以及一个双频模式(2.4 GHz/5.2 GHz)之间切换. 天线在不同模式下都具有稳定的辐射方向图.

阶梯型馈线； 频率可重构； 单频模式； 双频模式； 单极子天线

0 引 言

近年来， 随着无线通信技术的快速发展， 对移动设备工作在不同应用环境的需求日益增加. 可重构天线依据设备所处应用环境， 可以对天线的工作频率、 辐射方向图、 极化等特性进行重构， 并且具有成本低、 功能多、 体积小和易于集成等优点， 引起了国内外学者的广泛关注.

频率可重构天线通过加载开关元件， 如PIN二极管[1]， 变容二极管[2]， 射频微机电系统(RF-MEMS)[3]， 以及GaAs场效应晶体管(FET)[4]等， 改变天线的表面电流分布， 从而改变天线的谐振频率， 实现频率可重构. 然而， 许多频率可重构天线只能工作在单频带或双频带模式. 文献[5]在半圆形贴片上的调谐枝节中加载3个PIN二极管， 天线可以在4个单频带之间切换， 频比为1.7∶1. 文献[6]在L型缝隙中加载5个PIN二极管， 天线工作在6个单频带模式， 工作频带为2.2～4.75 GHz. 此外， 有学者在S型[7]、 T型[8]缝隙中加载PIN二极管， 通过控制二极管的状态改变缝隙长度， 实现频率可重构. 文献[9]在两个贴片单元分别刻蚀C型缝隙， 并在馈电网络与两个贴片单元的连接处加载一对PIN二极管， 天线工作在两个双频带模式和一个宽频带模式. 文献[10]设计了一个双频带可重构的缝隙天线， 在缝隙的适当位置加载两个变容二极管， 通过控制变容二极管的偏置电压， 天线可以实现双频带的切换.

本文设计了一种频率可重构的单极子天线. 在馈线与两个L型枝节的连接处分别加载一个开关， 通过控制开关的通断实现频率可重构. 仿真和测量结果表明天线可以工作在两个单频模式和一个双频模式.

1 天线设计

天线的结构如图 1 所示. 该天线包括3层， 上层为馈线和辐射单元， 中间层为介质基板， 下层为接地板. 辐射单元中两个L型枝节分别实现不同的工作频率， 阶梯型馈线改善天线的阻抗匹配. 通过在馈线与两个枝节的连接处分别加载一个开关并控制二极管的通断， 改变天线的表面电流分布， 实现频率可重构. 设计的天线工作频率为2.4 GHz和5.2 GHz， 利用三维电磁仿真软件HFSS进行仿真. 选用相对介电常数为4.4， 厚度为1.6 mm的FR4介质基板， 优化的参数为：W=35 mm,L=40 mm,lf=11 mm,wf=3 mm,lp=7 mm,wp=6 mm,l1=3.7 mm,l2=4.8 mm,l3=16.2 mm,l4=8.5 mm,d=2 mm,lg=14 mm,wg=40 mm. 理想开关用尺寸为1 mm × 0.8 mm 的铜片代替， 用铜片的有无表示开关的导通和断开. 表1给出了天线的工作模式.

表 1 天线的工作模式

图 2 为天线的仿真反射系数曲线. 由图2可知， 在模式1(S1导通，S2断开)和模式2(S1断开，S2导通)时， 天线工作在单频模式， 谐振频率分别为f1=2.4 GHz和f2=5.2 GHz； 在模式3(S1导通，S2导通)时， 天线工作在双频模式， 谐振频率为f1/f2=2.4/5.2 GHz.

图 1 频率可重构天线示意图Fig.1 Configuration of frequency reconfigurable antenna

图 2 天线仿真反射系数曲线Fig.2 Simulated reflection coefficients of antenna

为了说明天线的工作原理， 对天线3种工作模式的表面电流分布进行了研究， 如图 3 所示. 图3(a)和图3(c)给出了天线模式1和模式3谐振频率为f1的电流分布， 由图可知， 电流主要集中在较长的L型枝节. 在模式2和模式3， 谐振频率f2的电流主要集中在较短的L型枝节和阶梯型馈线边缘， 如图3(b) 和3(d)所示.

2 天线参数分析

通过对天线进行敏感性分析， 发现阶梯型馈线主要影响天线的匹配性能， L型枝节长度影响天线的谐振频率. 在分析某一参数对天线性能的影响时， 其它参数均保持不变. 图 4 和图 5 分别给出了在模式3情况下阶梯型馈线长度lp和宽度wp对天线反射系数的影响. 从图4中可以看出， 随着lp的增加， 天线高频段的阻抗匹配逐渐变好. 由图 5 可知， 采用普通微带馈线(wp=wf=3 mm)时， 天线高频部分阻抗匹配很差， 采用阶梯型馈线时高频段的匹配性能得到明显改善. 图 6 给出在模式3情况下l1和l2变化时的反射系数曲线. 从图中可以看出， 随着l1或l2的增加， 谐振频率f2逐渐降低， 而f1保持不变. 图 7 为在模式3的情况下，l3和l4对天线反射系数的影响. 由图可知， 随着l3或l4的减少， 谐振频率f1逐渐变大， 而f2基本不变.

图 4 lp对反射系数的影响Fig.4 Effect of lp on reflection coefficients in mode 3

图 5 wp对反射系数的影响Fig.5 Effect of wp on reflection coefficients in mode 3

图 6 l1和l2对反射系数的影响Fig.6 Effect of l1 and l2 on reflection coefficients in mode 3

图 7 l3和l4对反射系数的影响Fig.7 Effect of l3 and l4 on reflection coefficients in mode 3

3 仿真和测量结果

天线印制在相对介电常数为4.4的FR4介质基板上， 图 8 为天线的实物图. 采用Agilent公司N5230A矢量网络分析仪测量天线的反射系数， 采用Lab-Volt公司8092型自动天线测量系统测量天线的方向图和增益.

图 8 天线实物图Fig.8 Photos of antenna

图 9 为天线仿真和测量的反射系数曲线. 天线的测量结果和仿真结果基本吻合. 从图中可以看出， 天线能够实现3个不同的工作模式： 2.4 GHz和5.2 GHz两个单频模式以及2.4 GHz/5.2 GHz一个双频模式， 每个模式的-10 dB带宽分别为9.5% (2.31～2.54 GHz)， 9.1% (4.95～5.42 GHz)以及10.5% (2.23～2.48GHz)/12.6% (4.87～5.41 GHz). 仿真和测量结果的差异主要是由介质基板介电常数的偏差以及制作误差引起.

图 9 天线仿真和测量的反射系数曲线Fig.9 Simulated and measured reflection coefficients of the antenna

图 10 是天线仿真和测量的归一化辐射方向图. 从图中可以看出， 测量结果与仿真结果基本一致. H面的方向图基本是全向型， E面的方向图基本呈“8”字型. 天线在模式1， 模式2和模式3的峰值增益分别为2.86, 1.91,以及1.67/2.45 dBi， 满足无线通信系统的要求.

图 10 天线仿真和测量辐射方向图Fig.10 Simulated and measured radiation patterns of the antenna

4 结 论

本文设计了一种频率可重构的单极子天线. 通过在馈线与两个L型枝节的连接处分别加载一个开关， 控制开关的状态， 选择相应的辐射单元， 实现频率可重构. 天线在各个模式具有稳定的辐射性能并且结构简单容易制作， 可以满足Bluetooth， WLAN等无线通信系统使用.

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Design of Frequency-Reconfigurable Monopole Antenna

CHENG Gen1, DUAN Meiling2, LI Wenni1, HAN Liping1

(1. College of Physics and Electronics Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China;2. College of Foreign Language, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

This paper presents a frequency-reconfigurable monoole antenna. The antenna consist of a stepped microstrip feed line, two L-shaped stubs and a rectangular ground plane, and two ideal switches are loaded between microstrip feed line and stubs. By changing the states of the switches, the current distribution will be altered, and then frequency reconfigurability is achieved. The overall size of the antenna is 35 mm × 40 mm. The simulated and measured results show that the proposed antenna can operate at two single-band modes (2.4 GHzand 5.2 GHz) and a dual-band modes (2.4 GHz/5.2 GHz).The proposed antenna has a stable radiation patterns in different modes.

stepped feed line; frequency reconfigurability; single-band model; dual-band model; monopole antenna

1671-7449(2017)02-0148-05

2016-12-07

国家自然科学基金资助项目(61172045)； 国家基础科学人才培养基金资助项目(J1210036)； 山西省自然科学基金资助项目(2012011013-3)

成 根(1993-)， 男， 硕士生， 主要从事可重构微带天线研究

TN821+.3

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.010