频率可重构的短背射天线

商锋 马超 王欣伟

（西安邮电大学, 西安 710121）

0 引 言

2017 年1 月我国工信部将N78（3.4～3.6 GHz）和N79（4.8 ～5.0 GHz）正式确立为我国5G 移动通信频段[1].5G 移动通信系统具有高速率、低时延、广传播、高容量等特点，得到了快速发展[2].但随着5G 载波频率升高，载波的穿透能力减弱，室外基站信号通过较厚墙体时损耗很大，导致外部基站信号难以有效覆盖相对密闭的室内，因此室内网络覆盖成为5G 通信商业化需要解决的关键问题之一[3-6].随着现代通信设备上所需的天线数量越来越多，如何在一个结构尺寸中实现多个天线的功能，对天线的设计提出了新的要求.可重构天线提高了空间利用率，其研究与设计为天线领域的发展带来了新的方向[7].可重构天线有极化可重构、辐射方向图可重构以及频率可重构等.文献[8]提出了一种具有四种状态的超表面方向图可重构天线，通过调整超表面上的电流分布来改变波束辐射方向的变化.文献[9]提出了一种基于可拉伸导电织物的柔性力敏频率可重构天线，对该柔性材料施加外力使天线发生形变从而实现频率可重构.文献[10-12]提出了一种基于有源频率选择表面（active frequency selective surface, AFSS）的可重构天线，其中文献[12]采用立体的AFSS 结构通过对馈源天线加载开关二极管，实现了N78 与N79 之间相互切换，从而实现双频的波束扫描和全向与定向波束切换功能.文献[13-15]提出陷波频率可重构天线，其中文献[15]通过控制PIN 二极管的通断状态，在两个频段上实现了陷波可重构.文献[16]通过改变有源偶极子长度实现了N78 与N79 之间切换，但在两个频段增益都偏小.因此，如何保证在N78 与N79 之间自由切换的前提下提高增益的问题有待解决.

N78 为中国联通与中国电信所用频段，而N79 为中国移动所使用的的频段，如果只需要天线工作在其中一个频段通过控制PIN 二极管偏置电路就可实现，当频率可重构天线工作在其中一个频段时，其频段外的信号将会被抑制从而减小带外干扰，但双频或者宽带天线无法实现这一功能.本文设计的频率可重构天线是在短背射天线结构与准八木天线结构的基础上，结合PIN 二极管开关改进完成.采用ANSOFT HFSS 软件进行可重构天线的建模仿真，用集总边界条件等效代替PIN 二极管的导通和断开状态，通过对结构尺寸中的关键参数进行优化扫描，确定了天线的最终尺寸结构.所设计天线在N78 和N79 两个频段内具有频率可重构特性，且方向图保持稳定.

1 天线理论与设计

1.1 理论分析

本设计将八木天线与短背射天线相结合，将金属腔同时作为准八木天线的反射器以及短背射天线的主反射器，短背射天线的次反射器同时也作为准八木天线的引向器.通过PIN 二极管开关控制有源振子的长短变化，实现N78 和N79 频段频率可重构的同时，实现天线在准八木模式和短背射模式下的变化.本设计在PIN 二极管导通时振子变长，天线整体结构呈准八木型.八木天线如图1 所示.调节合适的各个振子的长度以及阵子与阵子之间的间距，可以改变无源振子上感应电流的相位和振幅，从而获得理想的辐射方向图和较高的增益.当PIN 二极管断开时振子变短，天线整体结构呈短背射型.短背射天线是由端射天线演变而来，具有结构简单、体积小、增益高等特点，其结构如图2所示.短背射天线通过对阵子馈电激励电磁波，经过主反射器与次反射器多次反射，电磁波从次反射器两边辐射出去，增加了天线的口径，提高了增益.

图1 八木天线示意图Fig.1 Schematic of Yagi Antenna

1.2 天线结构设计

天线结构如图3 所示.天线由对称领结形的有源振子、长条形无源振子和圆盘形反射底腔构成，底腔上安装SMA 型射频连接器和直流供电端子穿心电容.有源振子、无源振子以及偏置电路印制在介质板上，介质板采用F4BM 材料，厚度H0为1 mm，相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.003 5，介质板通过两个L 形金属条紧固在反射底腔上.图3 中天线各结构参数如表1 所示.

表1 本文频率可重构天线几何参数值Tab.1 Frequency econfigurable antenna geometric parameter valuesmm

图3 本文天线结构图Fig.3 The structure of the proposed autenna

PIN 开关二极管电路如图3（a）所示.P1、P2为二极管，R1和R2为限流电阻，L1、L2、L3为蛇形线等效下的射频扼流电感，C1为穿心电容.通过式（1）计算出R1电阻：

式中：Vcc为外部供电电压；Vd为PIN 二极管的导通压降；Id为导通电流.由于阻值248 Ω为非标称电阻值，所以选择与其接近的240 Ω标称电阻值作为限流电阻.对加工完成的实物进行焊接装配，将天线PCB、圆形反射腔体、SMA-K 型连接器、穿心电容以及PIN 二极管等物料焊接装配后的实物如图4 所示.

图4 天线实物图Fig.4 Prototype of the antenna

2 结果与分析

PIN 二极管导通时，测试结果如图5 所示.可以看出，在PIN 开关二极管导通时，N78 频段内回波损耗小于−19.58 dB.由于实物测试时加入了偏置电路，射频扼流电感引入部分损耗，使得回波损耗变小.

图5 PIN 二极管导通时回波损耗实测与仿真结果对比Fig.5 Comparison of measured return loss and simulation results when the PIN diode is connected

PIN 二极管断开时，测试结果如图6 所示.可以看出，在PIN 开关二极管断开时，频带内回波损耗小于−18.58 dB，同样因为实物测试时加入了偏置电路，射频扼流电感引入部分损耗，使得回波损耗变小，天线谐振频率与仿真情况基本吻合.

图6 PIN 二极管断开时回波损耗实测与仿真结果对比Fig.6 Comparison of measured return loss and simulation results when the PIN diode is disconnected

图7 是将频率可重构天线架设在微波暗室中，进行方向图测试的场景.

图7 天线架设在微波暗室转台上的测试场景Fig.7 The antenna is erected on the microwave anechoic chamber turntable

PIN 二极管断开时，方向图测试结果如图8 所示.此时天线处于N79 频段工作模式，增益大于9.48 dBi，而N78 频段增益较低，最大增益小于−0.18 dBi，与仿真结果相比，增益偏小1.5 dB.

图8 PIN 二极管断开时不同频点方向图Fig.8 Different frequency pattern when the PIN diode is disconnected

通过穿心电容进行供电，PIN 二极管导通时的方向图测试结果如图9 所示.这时天线处于N78 频段工作模式，增益大于7.44 dBi，N79 频段增益小于4.24 dBi，与仿真结果相比，增益偏小2 dB.

图9 PIN 二极管导通时不同频点方向图Fig.9 Different frequency pattern when the PIN diode is connected

导致测试结果相较于仿真结果增益偏小的原因是：首先，实物中加入了偏置电路，由图10 所示偏置网络损耗频率响应曲线可知，低频时偏置电路损耗大于高频，并且二极管在10 mA 电流通过导通时会有0.2 dB 的插入损耗，引起增益的下降；其次，N78 相较于N79 频率低，但天线工作在N78 频段时，有源阵子长度增加，引向器尺寸和距有源阵子的距离本应该增大，但引向器尺寸与位置为折中考虑，因此当天线工作在N78 频段时增益有所影响.

图10 偏置网络损耗频率响应曲线Fig.10 Bias circuit loss frequency response curve

表2 为本文设计的可重构天线与参考文献中天线的增益对比.通过对比可知，在同样可实现N78 与N79 切换的条件下，本文所设计的频率可重构天线对增益的优化较好.

表2 本文天线与参考文献中天线增益对比Tab.2 Gain comparison of antennas in this paper and other literatures

由上述测试结果可以看出，天线在N78 和N79 两个频段两种模式下具有稳定的辐射方向图，频率可重构特性明显，具有一定的工程应用价值.

3 结 论

本文针对5G 发展对室内接入天线提出的新要求，设计了一种可在N78（3.4 ～3.6 GHz）与N79（4.8 ～5.0 GHz）两个频段切换的频率可重构天线模型.在N78 工作时为准八木天线，在N79 工作时为短背射天线.测试结果与仿真基本吻合，天线工作在N78 频段时回波损耗小于−19.58 dB，增益大于7.44 dBi；天线工作在N79 频段时，回波损耗小于−18.58 dB，增益大于9.48 dBi.验证了天线可重构的有效性，实物具有一定的实际应用价值.本次设计只覆盖了5G 频段中的N78 和N79 频段，后续研究在N41、N78 和N79 三个频段进行频率可重构设计，同时运用天线陷波技术，提高不同频段间的隔离度.