应用于认知无线电的频率可重构天线*

平艺伟， 韩杨露， 陈新伟， 韩丽萍

(山西大学 物理电子工程学院。 山西 太原 030006)

0　引　言

随着无线通信业务需求快速增长， 可用频谱资源变得越来越稀缺， 频谱资源的有效利用成为无线通信的一个重要问题和制约无线通信发展的新瓶颈[1]. 构建以认知无线电技术为核心的动态频谱管理体制， 可以从根本上缓解频谱资源紧张的局面. 认知无线电通信系统中， 感知天线可以在较宽的频率范围有效地进行频谱感知， 当感知天线发现合适空闲的频段时， 通信天线就会在搜索到的空闲频段内进行通信工作[2].

通常， 认知无线电通信系统中天线的感知功能和通信功能可以分别由超宽带天线和可重构的窄带天线实现. 文献[3]使用椭圆形单极子天线作为超宽带天线， 窄带天线由单极子内部的缝隙实现， 通过在缝隙上加载变容二极管实现频率连续可调. 文献[4]使用阶梯型单极子天线作为超宽带天线， 4个倒F天线单元作为窄带天线， 通过在倒F天线上加载PIN二极管和变容二极管实现频率可重构， 超宽带单极子天线同时作为倒F天线的地； 文献[5]使用鸡蛋形单极子天线实现超宽带， 5个工作频率不同的贴片印刷在可转动的圆形介质上， 通过步进电机转动圆形介质实现窄带的可重构. 为了减小天线的尺寸， 感知天线和通信天线集成是一种有效的解决方案； 文献[6]使用圆形单极子天线作为超宽带天线， 通过在地板上刻蚀加载开关的缝隙实现超宽带和窄带间的可重构； 文献[7]使用缝隙天线作为超宽带天线， 通过在缝隙上加载开关改变缝隙的形状来实现频率可重构； 文献[8]在圆形单极子天线的馈线两边加入长度不同的枝节， 使用两个GaAs 场效应管开关实现频率可重构； 文献[9]在单极子天线上加载4个光电开关， 通过控制开关的状态改变辐射单元的形状， 进而实现超宽带和3个窄带间的可重构； 文献[10]将双馈点的贴片印刷在可以转动的圆形介质上， 通过旋转介质改变馈电点的位置来实现超宽带和窄带间的可重构.

本文提出一种应用于认知无线电的频率可重构天线， 作为感知天线可以工作在UWB频段， 作为通信天线可以工作在WiMAX频段. 在辐射单元和接地板上分别刻蚀加载开关的开路缝隙和短路缝隙， 通过控制开关的不同组合状态可以实现频率可重构.

1　天线设计

天线的结构如图 1 所示， 包括3层， 上层为刻蚀开路缝隙的阶梯型辐射单元和微带馈线， 中间层为介质基板， 下层为刻蚀短路方环形缝隙的接地板. 方环形缝隙通过金属过孔与馈线相连， 内部刻蚀一个圆环形缝隙用来控制方环形缝隙的短路. 在缝隙上加载6个理想开关， 控制开关的不同组合状态可以使天线工作在超宽带、 单频带、 双频带3种模式， 从而实现频率可重构. 选用相对介电常数为4.4， 厚度为1.6 mm的FR4介质基板. 利用商用电磁软件HFSS进行仿真分析. 优化的参数为：W=40 mm,L=40 mm,lg=19 mm,lp=17 mm,wp=20 mm,lt=2 mm,wt=4 mm,lf=20 mm,wf=2.86 mm,ls=0.4 mm,ws=15 mm,ld=9.6 mm,lv=8 mm,li=4 mm,lo=5.4 mm,r1=1.5 mm,r2=0.3 mm. 仿真中， 用铜片的有无模拟开关的导通和断开.

图 1　天线结构示意图Fig.1　Configuration of the antenna

辐射单元采用阶梯型结构改善天线的阻抗匹配， 进而实现超宽带. 短路方环形缝隙可以对超宽带的高频部分产生抑制作用， 使得天线工作在超宽带的低频部分， 实现单频带. 辐射单元上的开路缝隙可以在单频带内产生一个阻带， 实现双频带. 当开关S1～S5导通，S6断开时， 方环形缝隙和开路缝隙都不起作用， 天线工作在超宽带模式(模式1). 当S1，S6导通，S2～S5断开时， 短路方环形缝隙抑制了超宽带的高频部分， 天线工作在单频带模式(模式2). 当S6导通，S1～S5断开时， 开路缝隙引起的阻带将单频带分成两部分， 天线工作在双频带模式(模式3). 天线工作状态如表 1 所示， 3种模式下仿真的反射系数如图 2 所示.

表 1　天线工作模式

图 2　天线反射系数Fig.2　Reflection coefficients of the antenna

2　参数分析

图 3　模式1时不同d的反射系数Fig.3　Reflection coefficients for different d in mode 1

通过对天线进行敏感性分析， 发现辐射单元与接地板间的距离， 圆环形缝隙的宽度， 开路缝隙的长度分别是影响模式1， 模式2， 模式3时天线性能的主要因素. 图 3 给出了天线工作在模式1时辐射单元与接地板间的距离d(d=lf-lg) 对反射系数的影响. 从图3中可以看到： 随着d的减小， 低频部分的匹配逐渐变差， 高频部分的匹配逐渐变好. 当d=1 mm时天线在UWB的整个频段内的|S11|<-10 dB. 模式2时圆环形缝隙宽度r(r=r1-r2) 对天线反射系数的影响如图 4 所示. 从图4中可以看到： 随着r的增大， 带宽逐渐减小. 图 5 给出了模式3时ls对天线反射系数的影响， 从图5中可以看到： 随着的ls的增大， 阻带的中心频率逐渐减小.

图 4　模式2时不同r的反射系数Fig.4　Reflection coefficients for different r in mode 2

图 5　模式3时不同ls的反射系数Fig.5　Reflection coefficients for different ls in mode 3

3　结果与讨论

天线印制在相对介电常数为4.4的FR4介质基板上， 图 6 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， Lab-Volt公司8092型自动天线测量系统测量天线的方向图.

图 6　天线实物图Fig.6　Photos of the antenna

图 7　测量反射系数Fig.7　Measured reflection coefficients

图 7 为天线实测的反射系数曲线， 与图2所示的仿真结果基本吻合. 从图7中可以看到： 天线可以工作在超宽带、 单频带和双频带3种模式. 3种模式时天线的带宽分别为8.3 GHz (2.7～11 GHz)， 2.45 GHz (2.47～4.92 GHz)， 0.28 GHz (2.33～2.61 GHz)/1.82(3.38～5.2 GHz)， 可以覆盖UWB的3.1～10.6 GHz以及WiMAX的2.48～2.56 GHz和3.48～3.63 GHz频段. 仿真和测量结果的差异主要由介质基板介电常数的偏差以及制作误差引起. 图 8 是天线在模式1时测量的归一化辐射方向图. 由图 8 可知： H面方向图基本是全向型， E面的方向图基本呈“8”字型. 工作频率较高时， 天线的辐射方向图会发生畸变.

图 8　测量辐射方向图Fig.8　Measured radiation patterns

4　结　论

本文提出了一种应用于认知无线电的频率可重构天线. 在辐射单元和接地板刻蚀缝隙并在缝隙上加载开关， 通过控制开关的组合状态可以使天线工作在超宽带、 单频带、 双频带3种模式， 从而实现频率可重构. 作为感知天线工作在UWB频段； 作为通信天线工作在WiMAX频段， 可以满足认知无线电系统应用.

参考文献：

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