一种频率可重构天线的设计

赵 旋，邹传云，蒋永祥（西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010）

一种频率可重构天线的设计

赵 旋，邹传云，蒋永祥
（西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010）

研究了一种基于对称结构的新型频率可重构微带贴片天线。通过在贴片上对称开槽加载PIN开关二极管，实现了良好的频率可重构特性。利用仿真软件HFSS13.0对天线进行仿真验证，仿真结果表明，天线可以很好地工作在DSC-1800、PCS-1900、UMTS 3个频段，且方向图几乎保持不变。此类的可重构天线非常适合于无线通信领域的应用。

频率可重构；微带贴片天线；PIN二极管

0 引言

21世纪是一个信息时代，随着科学技术的飞速发展，以无线传输方式传递信息已成为时代的主题。现代移动通信、卫星通信在人们生活中起着不可替代的作用，天线作为无线传输系统发射能量的终端及接收能量的初始端，它对整个系统起到承上启下的作用，因此对其性能有很高的要求［1-2］。

频率可重构天线通过加载一个或者多个可控制器件改变天线的结构，使天线的工作频段在一定范围内重构，而其他参数基本保持不变，同时，使天线具有多频带、超宽带的性能，还能够有效避免自身和外界带来的电磁干扰，适应新的环境，确保通信的总体稳定性［3-4］。近年来，国内外对各种形式的频率可重构天线进行了不少研究［5-7］。

本文设计了一种平面贴片天线，使用二极管来控制电源的通断，实现天线在3个频段的重构。这款天线使用了共面波导的馈电方式，这种馈电方式使得这款天线有了更大的带宽、更好的阻抗匹配以及更低的辐射损耗等优点。

1 频率可重构天线的设计

图1为频率可重构天线的设计结构，该天线是印制在介质基板大小为60mm×60mm×1.6mm的FR4板材上的，其相对介电常数为4.6，损耗角正切值为0.02。CPW馈线以及地板金属均是印刷在天线的上表面上，其中共面波导馈线的宽度为1mm，馈线与地板的缝宽为1.3mm，大圆的半径为15.2mm，小圆的半径为14.1mm，其余的参数为L0=6.93mm，L1=3.2mm，L2=1.5mm。此次的天线设计中使用的 PIN二极管是 Philips Semiconductors公司生产的BAP51-02，根据数据手册中给出的结论，二极管在导通状态下，等效为1.5Ω的电阻；二极管在断开状态下，等效为0.2 pF的电容与10 kΩ的电阻组成的并联电路。

图1 天线的设计结构

2 频率可重构天线的仿真结果

天线的仿真结果由 3D电磁仿真软件 Ansoft HFSS13.0计算得出，天线仿真的回波损耗如图 2所示，仿真结果的汇总如表1所示。

图2 天线仿真的回波损耗图

表1 仿真的汇总结果

在仿真过程中发现，天线表面的电流主要分布在槽的两端，因此改变其长度，天线的谐振点就会发生偏移。当天线上加载的二极管处于不同的状态时，天线上槽的长度也就不断变化，所以通过调整开关的通断状态就可以改变天线的谐振点位置。当所有二极管处于断开状态时，槽的长度最长，这时的工作频率也就最低；当二极管逐渐导通时，开关直接与地板相连，槽的长度被减短，谐振点逐渐向高频方向移动。

当二极管导通时只能等效为1.5Ω的电阻；在断开状态下，等效为0.2 pF的电容与10 kΩ的电阻组成的并联电路。断开时引入到天线中的等效电路对电流分布的影响比较大，1.5Ω电阻的影响就会比较小，所以在模式3的条件下将D3、D2全部导通。对于其他的工作模式，基于相同的原因，都选择了将其导通。

由表1可以看出，模式1的频率范围覆盖了DSC-1800（Digital Cellular System，1710 MHz～1880 MHz），模式2的频率范围覆盖了PCS-1900（Personal Communications Service，1880 MHz～1900 MHz），模式 3和模式 4的工作频带覆盖了UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，1920 MHz～2170 MHz），带宽很好地覆盖了所需的目标频段，而且工作频段的匹配非常好。

图3显示了3个工作频段的天线辐射方向图。该频率可重构天线在3个不同的工作频率下的结构与表面电流分布都非常相似，因此方向图在3个频段几乎保持不变，天线在模式1的谐振点1.794 GHz处的最大增益为1.329 dBi，在模式2的谐振点 1.869 GHz处的最大增益为1.177 dBi，在模式 3的谐振点1.956 GHz处的最大增益为1.447 dBi，在模式4的谐振点 2.102 GHz处的最大增益为1.396 dBi，非常有利于此类天线应用于无线通信领域。

图3 天线辐射方向图

3 结论

本文设计了一种平面贴片天线，有3个频段的工作模式，每个模式都有较大的带宽和良好的端口匹配。因为天线在不同的工作模式下结构都很相似，所以方向图保持稳定，每个都十分相似。这款天线是使用二极管来控制电流的通断，二极管较高的功率容限以及较低的价格为这款天线降低了成本。

［1］STUTZMAN W L，THIELE G A.天线理论与设计（第2版）［M］.朱守正，安同一，译.北京：人民邮电出版社，2006.

［2］丁革媛，高宝芹，孙强，等.无线通信技术的发展研究［J］.微型机与应用，2014，33（10）：1-3，6.

［3］刘君英.可重构微带天线研究［D］.合肥：中国科学技术大学，2008.

［4］田雨波，谭冠南.可重构天线研究综述［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2012，26（3）：271-277.

［5］GUPTA C，MAHESHWARI D，SARASWAT R K，etal.A UWB frequency-band reconfigurable antenna using switchable slotted ground structure［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，13：20-24.

［6］HUANG C T，HAN T Y.Reconfigurable monopolar patch antenna［J］.Electronics Letter，2010，46（3）：199-200.

［7］HANT Y，SIM C Y.Reconfigurable monopolar circular patch antenna for wireless communication systems［J］.Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2008，22（5-6）：635-642.

［8］张杰，熊俊，马东堂，等.多波束卫星通信系统中的物理层安全传输算法［J］.电子技术应用，2014，40（11）：116-119.

A design of frequency-reconfigurable antennas

Zhao Xuan，Zou Chuanyun，Jiang Yongxiang
（Department of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China）

This paper investigates a novel which is based on the frequency of symmetrical structure reconfigurable microstrip patch antenna.By the pads symmetrical loading slot PIN diode switch，a good frequency reconfigurability is achieved.The simulation results show that the antenna may work well in DSC-1800，PCS-1900 and UMTS three bands，and the pattern remains almost unchanged according to the simulation of the software HFSS13.0 simulation.So this kind of reconfigurable antenna is well suited for wireless communications applications.

frequency reconfigurable；microstrip patch antenna；PIN diode

TN92

A

1674-7720（2015）22-0070-03

赵旋，邹传云，蒋永祥.一种频率可重构天线的设计［J］.微型机与应用，2015，34（22）：70-72.

2015-08-21）

赵旋（1990-），女，硕士研究生，主要研究方向：无线通信技术。

邹传云（1960-），男，博士，教授，主要研究方向：电路与系统。

蒋永祥（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：无线通信技术。