摘 要： 研究了一種基于對稱結構的新型頻率可重構微帶貼片天線。通過在貼片上對稱開槽加載PIN開關二極管，實現了良好的頻率可重構特性。利用仿真軟件HFSS13.0對天線進行仿真驗證，仿真結果表明，天線可以很好地工作在DSC-1800、PCS-1900、UMTS 3個頻段，且方向圖幾乎保持不變。此類的可重構天線非常適合于無線通信領域的應用。
關鍵詞： 頻率可重構；微帶貼片天線；PIN二極管
0 引言
21世紀是一個信息時代，隨著科學技術的飛速發展，以無線傳輸方式傳遞信息已成為時代的主題。現代移動通信、衛星通信在人們生活中起著不可替代的作用，天線作為無線傳輸系統發射能量的終端及接收能量的初始端，它對整個系統起到承上啟下的作用，因此對其性能有很高的要求[1-2]。
頻率可重構天線通過加載一個或者多個可控制器件改變天線的結構，使天線的工作頻段在一定范圍內重構，而其他參數基本保持不變，同時，使天線具有多頻帶、超寬帶的性能，還能夠有效避免自身和外界帶來的電磁干擾，適應新的環境，確保通信的總體穩定性[3-4]。近年來，國內外對各種形式的頻率可重構天線進行了不少研究[5-7]。
本文設計了一種平面貼片天線，使用二極管來控制電源的通斷，實現天線在3個頻段的重構。這款天線使用了共面波導的饋電方式，這種饋電方式使得這款天線有了更大的帶寬、更好的阻抗匹配以及更低的輻射損耗等優點。
1 頻率可重構天線的設計
圖1為頻率可重構天線的設計結構，該天線是印制在介質基板大小為60 mm×60 mm×1.6 mm的FR4板材上的，其相對介電常數為4.6，損耗角正切值為0.02。CPW饋線以及地板金屬均是印刷在天線的上表面上，其中共面波導饋線的寬度為1 mm，饋線與地板的縫寬為1.3 mm，大圓的半徑為15.2 mm，小圓的半徑為14.1 mm，其余的參數為L0=6.93 mm，L1=3.2 mm，L2=1.5 mm。此次的天線設計中使用的PIN二極管是Philips Semiconductors公司生產的BAP51-02，根據數據手冊中給出的結論，二極管在導通狀態下，等效為1.5 Ω的電阻；二極管在斷開狀態下，等效為0.2 pF的電容與10 kΩ的電阻組成的并聯電路。
2 頻率可重構天線的仿真結果
天線的仿真結果由3D電磁仿真軟件Ansoft HFSS13.0計算得出，天線仿真的回波損耗如圖2所示，仿真結果的匯總如表1所示。
在仿真過程中發現，天線表面的電流主要分布在槽的兩端，因此改變其長度，天線的諧振點就會發生偏移。當天線上加載的二極管處于不同的狀態時，天線上槽的長度也就不斷變化，所以通過調整開關的通斷狀態就可以改變天線的諧振點位置。當所有二極管處于斷開狀態時，槽的長度最長，這時的工作頻率也就最低；當二極管逐漸導通時，開關直接與地板相連，槽的長度被減短，諧振點逐漸向高頻方向移動。
當二極管導通時只能等效為1.5 Ω的電阻；在斷開狀態下，等效為0.2 pF的電容與10 kΩ的電阻組成的并聯電路。斷開時引入到天線中的等效電路對電流分布的影響比較大，1.5 Ω電阻的影響就會比較小，所以在模式3的條件下將D3、D2全部導通。對于其他的工作模式，基于相同的原因，都選擇了將其導通。
由表1可以看出，模式1的頻率范圍覆蓋了DSC-1800（Digital Cellular System，1 710 MHz~1 880 MHz），模式2的頻率范圍覆蓋了PCS-1900（Personal Communications Service，1 880 MHz~1 900 MHz），模式3和模式4的工作頻帶覆蓋了UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，1 920 MHz~2 170 MHz），帶寬很好地覆蓋了所需的目標頻段，而且工作頻段的匹配非常好。
圖3顯示了3個工作頻段的天線輻射方向圖。該頻率可重構天線在3個不同的工作頻率下的結構與表面電流分布都非常相似，因此方向圖在3個頻段幾乎保持不變，天線在模式1的諧振點1.794 GHz處的最大增益為1.329 dBi，在模式2的諧振點1.869 GHz處的最大增益為1.177 dBi，在模式3的諧振點1.956 GHz處的最大增益為1.447 dBi，在模式4的諧振點2.102 GHz處的最大增益為1.396 dBi，非常有利于此類天線應用于無線通信領域。
3 結論
本文設計了一種平面貼片天線，有3個頻段的工作模式，每個模式都有較大的帶寬和良好的端口匹配。因為天線在不同的工作模式下結構都很相似，所以方向圖保持穩定，每個都十分相似。這款天線是使用二極管來控制電流的通斷，二極管較高的功率容限以及較低的價格為這款天線降低了成本。
參考文獻
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