用于多波段的多模式频率可重构天线

张彦鹏，孙学宏，刘丽萍，3，袁一杰，王艳妮，赵灵芝

（1.宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学信息工程学院，宁夏 银川 750021；3.宁夏大学宁夏沙漠信息智能感知重点实验室，宁夏 银川 750021）

0 引 言

在数字通信系统发展迅速的信息时代，凡是以电磁波来传递信息的设备，均是依靠天线完成工作的，随着信息需求不断增加，导致天线数量增加，从而引起天线费用上升、电磁干扰增加、负重增加、模型复杂等诸多问题，为了应对各方面的要求，具有可控性和多功能的可重构天线被设计出来。可重构天线自20 世纪80 年代被Schaubert D H 等人［1］首次提出，经过近40年的发展，已经实现频率［2，3］、方向图［4］、极化［5］以及多重模式［6］的可重构。通过有源器件或结构等［7～10］其他手段，改变电流分布，使天线的工作频段、极化方式、波瓣图等一些参数中的某一种或几种参数实现重构。近些年，学者们又从新角度出发，引入超材料［11～13］、新结构［14］等对传统天线进行改进，为天线实现可重构拓宽了道路。

频率可重构天线在扩宽工作频段，提供多通道选择上起到了很好的作用，还能增强系统的灵活性、减小系统的复杂性、提高系统的多模协同性。但传统的频率可重构天线的模式单一，天线尺寸较大，如文献［15］提出了一种具有全向辐射模式和定向性的机械模式可重构双频天线，通过手动旋转顶部基板，天线能够实现2种工作状态，分别是贴片状态和单极状态，且天线直径高达90 mm，尺寸过大。在文献［16］提出了为认知无线电应用设计的双端口天线系统，通过旋转双频槽天线（double band slot antenna，DBSA）的元表面（meta surface，MS），以实现三种状态的频率可重构，且该文中天线尺寸达到了51.3 mm ×25.3 mm，尺寸明显较大。

为了解决可选择的频率模式单一、天线尺寸过大等问题，本文通过对缝隙天线引入PIN二极管，改变缝隙结构，提出了一种应用于多波段的多模式频率可重构微带缝隙天线。天线为叉形结构，在3 个叉形枝节与微带线之间引入3个PIN 二极管，控制PIN 二极管的导通状态可以实现4种模式下多种工作频段的可重构，分别是单频段（11.68～13.04 GHz）、双频段（3. 32 ～4. 26 GHz，10 ～10.8 GHz）、三频段（4. 36 ～5. 14 GHz，9. 82 ～10. 32 GHz，11.92～12. 92 GHz）和四频段（2.8 ～3.9 GHz，10.18～10.86 GHz，13～13.34 GHz，14.74～14.96 GHz）。同时对本文设计的天线进行加工制作，并通过矢量分析仪对天线的S参数进行测试，证明天线实测数据基本吻合于仿真数据。

1 天线设计

1.1 天线结构

本文对传统的缝隙天线进行处理，所得的频率可重构微带缝隙天线如图1 所示，图中显示了天线的模型尺寸和实物。天线基板采用1.6 mm厚的Rogers RO4350（tm），介电系数εr＝3.66，损耗角正切tanδ＝0.004。天线辐射贴片采用0.02 mm厚度的铜片，由共面波导（coplanar waveguide，CPW）进行馈电。天线的辐射贴片上开槽为叉形图案，在3个叉形枝节上由3个PIN二极管D1，D2，D3横跨接通，控制二极管可以实现频率变化。最终天线尺寸为22 mm ×20 mm，实现了小型化，天线各个参数优化后的结果如表1所示。

表1 天线结构参数mm

图1 天线结构示意

1.2 天线设计过程

本文设计来源于传统的微带缝隙天线，图2（a）所示为对天线1（传统缝隙天线）结构进行处理的过程，此缝隙天线应用于数字微波接力通信机的6 GHz 频段（5 925 ～6 425 MHz（L），6425～7 110 MHz（U））和7 GHz频段（7125～7 425 MHz（L），7 425 ～7 725 MHz（U）），带宽为5. 83 ～7.00 GHz。从图3中天线1 的回波损耗（S11）的仿真的结果中可以发现，天线1 只有1 个工作频段工作模式单一。为了扩展工作模式，设计出多频段，且具有可重构的特性，对上述缝隙天线进行改进。最终可以得到如图2（b）所示的天线2（叉形天线），并对天线2进行仿真及实物制作，仿真结果如图3中S11曲线所示，天线2 具有3 个工作频段，分别是低频段（4. 41 ～5. 10 GHz），中频段（9. 85 ～10.42 GHz），高频段（12.19～12.92 GHz），与实测结果相比较，发现二者基本一致。

图2 天线设计过程

图3 2 种天线回波损耗参数对比

2 天线仿真与实测结果分析

2.1 仿真过程

天线的结构尺寸对天线性能有很大影响。本文对其中几个重要参数进行扫描，分析且选取最优值，保证天线性能达到最佳。如图4所示，参数L1，L2，L3对回波损耗影响的曲线。L1为微带线的长度，可以从图4（a）中发现，长度L1从6.5 mm以步长为0.5 mm增加至7.5 mm对天线进行扫描，L1对天线在中、高频段的频点有明显影响，而在低频段时S11基本维持在-34 dB左右，中频段时当L1＝7.0 mm时S11最小，在高频段随着参数变大，S11减小。总体而言，当L1＝7.0 mm效果最好，谐振点的S11值均能达到-25 dB 之下，具有很好的辐射特性。如图4（b）所示，将L2（叉形天线两侧枝节的长度）以1 mm的步长从7 mm增加至9 mm的参数对天线进行扫描，发现天线的工作频段发生了明显的偏移，随着L2的增加，工作频段向左偏移，同时在L2＝8 mm时，S11在3 个工作频段内均能达到最佳值，分别达到了-34，-44，-28 dB。如图4（c）所示，将L3（中间枝节窄带长度）以0.3 mm的步长从4.0 mm增加至4.6 mm的参数进行扫描，发现天线在L3＝4.6 mm 时只出现1 个工作频带，但在L3＝4.3 mm时S11在3个工作频段内的频点均能达到最佳值，分别达到了-34，-44，-28 dB。

图4 参数对回波损耗曲线的影响

2.2 天线实验结果分析

通过上面参数分析可知，天线有3个工作频段。为了实现频段可控，在3 个叉形枝节和微带线之间引入PIN二极管，在HFSS软件中通过设置RLC 边界条件实现模拟二极管的状态变化，仿真中用R＝2 Ω模拟导通，C＝0.02 pF模拟关闭。本文PIN二极管型号为BAR64-03W，如图5 所示为BAR64-03W的PIN二极管的模型、实物和等效电路，可以发现二极管为贴片型，尺寸约为2.5 mm，当二极管导通时表现出电感和电阻串联的LC串联谐振电路，当截止时表现为电容与电阻并联后和电感串联的LC并联谐振电路。

图5 BAR64-03W二极管的模型、实物和等效电路

为了实现工作模式及频段的可重构，本文通过控制PIN 二极管的开关状态实现工作频段的再分配，在PIN二极管不同状态下对天线进行测试。实验发现，天线具有4种模式，开关状态组合如表2 中所示（1 为二极管ON 状态，0为二极管OFF状态）。并对天线实物通过矢量分析仪进行实测数据采集，如图6所示。

表2 4 种模式下的开关状态组合

图6 频率可重构微带缝隙天线实测

在模式1时，天线的3 个PIN二极管均处于ON状态，二极管的工作状态为111，天线结构为三叉型，对天线的S11参数进行仿真和实测结果如图7（a）中所示，从仿真S11的参数曲线可以发现天线具备3 个工作频段（4. 36 ～5.14 GHz，9.82～10.32 GHz，11.92～12.92 GHz），分别可用于C波段、X波段和Ku波段，实测S11参数也拥有以上的变化趋势，但是和仿真有一定的差异，这是由于天线制作工艺引起的误差。从图7（b）中天线仿真效率和仿真增益可以发现，在工作频带处天线效率和增益都明显增高，且效率曲线和增益曲线的趋势一致，工作频带内天线效率均能达到80%以上，增益也达到了3 dBi以上。

图7 模式1 下参数曲线

在模式2 时，两侧PIN 二极管处于OFF 状态，中间二极管处于ON 状态，因此只有叉形的中间枝节工作，此时，二极管的工作状态为010，天线结构为“十”字型，对此时的天线的S11参数进行仿真和实测，结果如图8（a）中所示，可以发现天线仿真S11参数在12 dB附近出现1 个工作频段（11.68～13.04 GHz），可用于Ku波段，实测S11参数和仿真有一定误差，这是由于制作天线的工艺和天线中有源器件引起的。从图8（b）中可以发现在工作频带内天线效率可达到85%以上，增益最大也达到了4 dBi，具备良好的辐射。

图8 模式2 下参数曲线

在模式3时，两侧PIN二极管处于ON状态，中间二极管处于OFF状态，因此只有叉形中间枝节不参与工作，此时，二极管的工作状态为101，天线结构为“Y”型。对此时的天线的S11参数进行仿真和实测，结果如图9（a）所示，从天线仿真和实测S11参数可以发现天线有2 个工作频段分别是3.32～4.26 GHz和10 ～10.8 GHz，可用于S波段和波段，且实测数据吻合于仿真数据。由图9（b）所示，在这2个频带内天线效率高达90%以上，增益也达到了1.8 dBi和3.4 dBi。

图9 模式3 下参数曲线

在模式4时，3 个枝节均处于OFF 状态，此时，二极管状态为000，天线结构为“T”型，对此时的天线的S11参数进行仿真和实测，结果如图10（a）所示，可以发现天线出现4个工作频段（2. 8 ～3. 9 GHz，10. 18 ～10. 86 GHz，13 ～13.34 GHz，14.74 ～14.96 GHz），可用于S 波段、X 波段、Ku波段等。从天线仿真S11参数可以发现天线有2 个工作频段分别是3.32 ～4.26GHz和10 ～10.8 GHz，实测数据在低频段（2.8 ～3.9 GHz）没有达到-10 dB，在其他3 个频段数据吻合于与仿真数据。由图10（b）所示，在这2个频带内天线效率高达80%以上，增益也达到了5，3.3，4.3，3.6 dBi。

图10 模式4 下参数曲线

综上所述，通过控制D1，D2，D3的开关状态，可以实现4个频段的频率可重构。天线可以应用于C 波段、S 波段、X波段、Ku波段等。针对本文设计的天线，在二极管D1，D2，D3处于不同状态下，表3对天线仿真所得的工作频段、中心频率、频点增益、频点效率、应用场景5 个方面做出详细的总结。

表3 天线不同工作状态下的数据分析

表4为本文设计的具有多频段的窄带频率可重构微带缝隙天线和参考文献中提到的天线进行比较。比较发现，本文设计的天线具有紧凑的尺寸，可选择的多频段工作模式。虽然文献［14］和文献［16］中天线具有5 种工作模式，但是都只有单个工作频带，而且二极管个数较多。因此，本文设计的天线工作频段的选择性更多，同时也是WiMAX、5G、数字微波接力通信机等应用的潜在候选。

表4 本文天线与参考文献中天线的数据对比

3 结 论

本文提出了一种紧凑的多频带多模式的窄带可重构天线，由传统的缝隙天线改进而来，通过开槽的手段使天线模型为叉形结构，并且加入PIN二极管，可以实现4种模式的频率可重构，分别为单频段、双频段、三频段以及四频段4种工作模式下的4种工作状态，通过对天线实物的测试，证明天线具有辐射性良好和效率高、增益良好等优点。