汪 雷 陆东阳 于 映,2*

(1、电子与光学工程学院、微电子学院,南京邮电大学,江苏 南京210023 2、射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室,南京邮电大学,江苏 南京210023)

近年来随着5G 技术的发明和推广,现代无线通信技术取得了突飞猛进的发展,通讯设备在功能上也更加追求多样性[1]；传统天线已经无法满足现代通信的需求,可重构天线改变了传统天线的工作模式,它通过改变激励条件实现了多个天线的功能,可重构天线的应用极大的减小了天线的使用数量,在一定程度上降低了无线设备的规模和成本。此外可重构天线能够提高系统的兼容性,降低系统能量损耗,因此研究人员更加重视对可重构的研究。可重构天线一般指改变天线结构的可重构,通过改变表面电流和电场分布来实现天线功能的改变,天线可重构的电性能主要包括：频率、方向图、极化方式以及混合可重构。

文献[2]设计了一款频率可重构方形贴片天线,然后在接地板上开了一个方形槽,在槽的对称位置焊接5 个PIN 管,使天线获得8 中工作模式,文献[3]设计了采用共面波导馈电的T 型缝隙天线,在缝隙两端焊接2 个PIN 管,产生了2 个谐振频点,分别为5.25GHz 和5.75GHz,文献[4]介绍的事一款MIMO 天线,该天线在圆形辐射板和短路枝节之间焊接8 个变容二极管,在反向偏置电压的驱动下,使变容二极管的结电容值在0pf 到2pf之间连续变化,频点在1.55GHz 到2.9GHz 之间连续可调；目前研究频率可重构最多的是使用PIN 管和MEMS 开关来实现的,现在已经出现了一些采用可变电容结构连续调节频点的天线,但是对于两者的组合研究的较少；由于开关和可变电容调节频点的原理不同,因此两者的组合使用更值得作进一步的研究。

本文提出了一种基于PIN 管和变容二极管实现的频点连续可调的缝隙天线,该天线正面为长方形馈线,接地板上刻有对称C 型缝隙,并且在缝隙中焊接一个变容二极管和PIN 管,在PIN 管开启后,通过给变容二极管施加0 到30V 的偏压,改变缝隙的等效电容值,从而使天线的频点连续可调。

1 频率可调缝隙天线的原理

缝隙是改变天线频点的关键因素,当天线处于工作状态时,一方面电磁波通过缝隙向空间辐射会影响天线的频点,另一方面缝隙切割天线表面的电流线,从而使缝隙得到激励,而电流路径的改变意味着电长度的改变,因此频点发生变化；从等效电路角度分析,缝隙可以等效为一个固定电容,在缝隙中焊接变容二极管来调节缝隙电容,根据变容二极管的PN 结结电容随着反向偏置电压的增大而减小的原理[5],在变容二极管的工作过程中,反向偏置电压VR 增大,结电容Cj减小,导致频率f 增加。从而实现调频的目的。图1 为变容二极管的等效电路图,根据下列公式(1)可以求出随着外加偏压的增大结电容减小,依据公式(2)、(3)计算出不同频点所对应的电容值,从而选择合适的变容二极管。

图1 变容二极管等效电路图

式中Cj0是变容二极管初始结电容,VR是反偏电压,Z0是输入阻抗,f0为缝隙天线的频点,fc为电容改变后天线的频点。

2 频率可调缝隙天线的设计

图2 为频率可重构天线的结构图,天线是印制在罗杰斯4350 的介质板上,板材的尺寸为50mm*30mm,厚度为1.4mm,其相对介电常数为3.6,损耗角正切值为0.02,该天线的频率可调范围是2.45GHz～2.65GHz 和5 GHz～5.5GHz,通带内的反射系数均小于-20dB。在天线正面印有长度为20mm 的微带馈线,背面是带有对称缝隙的接地平面,考虑到缝隙的宽度会影响天线的阻抗匹配,将缝隙设计为宽度为2mm 的窄缝,根据对偶关系确定缝隙长度与对称偶极子天线的长度相等,其长度为二分之一波长,利用公式λ=ν/f 可以计算出中心频点所对应的波长,考虑到边缘效应带来的影响,需要对缝隙长度进行修正,设计中使用的型号为SMV1430-040LF 变容二极管由思佳讯公司提供的,在反向偏置工作状态下,它的等效电阻R=3.15Ω,等效电感L=1.8nH,电容变化区间为0.31pf～1.24pf,使用的PIN 管型号为BAR64-03WE6327,它的导通电阻为2Ω,等效电感为0.1nH,为了保证天线能正常工作,需要设置偏置电路,a 为PIN 管,b 为变容二极管,在两个管子周围设计四条宽度为0.3mm 的缝隙,缝隙中焊接3 个100pf 隔直电容,实现两个管子单独工作。

图2 可重构天线的结构图

其中εe是介质板的有效介电常数,通常用相对介电常数εr来表示有效介电常数εe：

因此可以得到缝隙的实际长度：

3 仿真与测试

通过上述计算可以得出L1=11mm,W1=2mm,L2=5.5mm,L3=35mm,L4=9.5mm,L0=7.5mm,L01=15mm,L02=13mm,W01=0.3mm,L5=20mm,W5=2mm；图3 为天线测试实物图,在测试中,通过调节变容二极管两端的反向电压,实现连续调节天线的谐振频点,为了避免电压过高对线路和变容二极管的损坏,反向电压限制最高值为20V,实现了天线频点在6 种状态下的连续可调,仿真和测试获到的反射系数S11如图4(a)、(b)所示,天线的低频谐振点在 2.5GHz 附近,-10dB 的阻抗带宽为50MHz～150GHz,高频谐振点在5GHz 附近,-10dB 的阻抗带宽为350MHz～500GHz,低频点的回波损耗值低于-20dB,高频点的回波损耗值低于-35dB,测试结果与仿真基本吻合,由于PIN 管和变容二极管焊接位置存在偏差和焊点引入的电阻等原因带来的影响,使得多数状态的S11 有着不同程度的偏移,在测试中出现6.5GHz 处出现谐振情况,因为在高频情况下PIN 管的整流能力减弱同时变容二极管的感抗增强导致的；仿真和测试结果的对比说明出设计的天线性能能够达到预期的要求,表明天线具有可行性。

图3 天线实物图背面

图4

图5 天线辐射方向图

图5 为天线在高频点处的辐射方向图,(a)测试时H 面的最大辐射方向为0°和180°,(b)测试E 面的最大辐射方向为10°和210°,天线在6 个不同工作频率下的最大能量辐射方向基本保持相同, 测试获得的增益值为3.5dBi～4.0dBi,测试结果表明天线的性能处于较好状态。

4 结论

本文设计了一款基于PIN 管和变容二极管的频率连续可重构缝隙天线,通过控制辐射地板缝隙中的PIN 管导通和变容二极管的反向偏置电压,改变接地板电流分布和缝隙等效电容的大小,可以实现天线的谐振频点在2.45GHz、4GHz、5GHz 附近的连续切换,PIN 管的使用极大的降低了谐振频点处的回波损耗值,实现了良好的阻抗匹配特性；仿真结果与测试验证了设计的可行性,该天线可以用于无线蓝牙、C 波段卫星通信、WLAN无线局域网系统以及WiMAX(全球互联网接入系统)。