摘要

在本文中，一款超寬帶頻率可重構(gòu)介質(zhì)諧振天線（FR-DRA）被提出并討論。這個天線能夠在4.15GHz~8.25GHz實現(xiàn)兩個不同頻段的切換。本文提出的DRA介電常數(shù)為10.2，由一段“U”型微帶線饋電，并且在饋電網(wǎng)絡(luò)的一支裝有一個p-i-n二極管來實現(xiàn)“開”和“關(guān)”的兩種狀態(tài)，從而實現(xiàn)了兩個不同頻段的轉(zhuǎn)換。與此同時，在兩種工作頻段下也有很好的匹配。該天線整體的尺寸大小是40x40x1.58mm³。結(jié)果表明FR-DRA可以提供兩種不同工作頻率的轉(zhuǎn)換，并且它們的阻抗帶寬分別是35%和20%。

關(guān)鍵詞：FR-DRA，頻率可重構(gòu)，寬帶，p-i-n二極管

一、引言

介質(zhì)諧振天線是目前天線研究的一個熱門方向，其具有許多傳統(tǒng)天線所不具備的優(yōu)點，比如低損耗、寬頻帶、高增益、低成本等^[1]。在毫米波至太赫茲頻段，金屬的趨膚效應(yīng)會變的非常顯著，因此，金屬天線的效率會大幅降低。相反，介質(zhì)天線幾乎完全由介質(zhì)構(gòu)成，不受趨膚效應(yīng)的影響，因此，介質(zhì)天線在毫米波及太赫茲波段具有更大的應(yīng)用價值^[2-3]。

另外，在無線領(lǐng)域的需求量增加，導(dǎo)致天線在降低成本的同時又要提高自身的性能，這種種的苛刻條件使得天線設(shè)計者們開始研發(fā)多功能的天線，而最近可重構(gòu)天線受到了極大的關(guān)注，因為這一類天線自身有改變系統(tǒng)需求的能力或者能夠自動地適應(yīng)不同的環(huán)境條件?？芍貥?gòu)天線也是多種多樣的，無論窄帶或?qū)拵?，都可以工作在某目標頻段。當然還有許多優(yōu)點，比如可重構(gòu)能力、多功能性、小型化、低成本等。這些優(yōu)點可以有機的結(jié)合到無線系統(tǒng)當中^[4-5]。盡管傳統(tǒng)的金屬天線也存在可重構(gòu)的方法，但是對于DRA來說很少有頻率是可重構(gòu)的。在現(xiàn)有的一些文獻中，他們運用了不同的方法來實現(xiàn)頻率可重構(gòu)^[6-8]。比如一些頻率可重構(gòu)的DRA是通過在地板和DRA之間增加空氣帶隙來改變頻率，還有一些通過在饋電網(wǎng)絡(luò)上增加開關(guān)的方法來改變工作頻率，更特殊的還有通過改變水面的高度來改變介質(zhì)塊的高度，從而實現(xiàn)了頻率的可調(diào)。基于現(xiàn)有的文獻，還沒有一個頻率可重構(gòu)的天線可以實現(xiàn)從一個寬帶到另一個寬帶的轉(zhuǎn)變。

在本文的設(shè)計中，超寬帶頻率可重構(gòu)介質(zhì)諧振天線被提出和研究，一個二極管開關(guān)加載在“U”型微帶線的一邊，來實現(xiàn)兩種工作頻段的轉(zhuǎn)換。在設(shè)計中利用HFSS（High Frequency Structure Simulator）軟件對天線進行仿真，為了能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能，對天線結(jié)構(gòu)尺寸進行了仿真優(yōu)化比較，并在文中給出了天線反射系數(shù)、方向圖，增益等結(jié)果圖，然后結(jié)合仿真結(jié)果進行分析總結(jié)。

二、天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本文中提出的FR-DRA的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)、天線模型俯視圖和側(cè)視圖

(b)、天線各個參數(shù)尺寸和位置

圖1、天線模型結(jié)構(gòu)

該天線是由一塊矩形介質(zhì)諧振器，一段“U”型的微帶線饋線和一塊Taconic材料的介質(zhì)板組成，其中介質(zhì)板的尺寸是40x40x1.58mm³。DRA的材料是Rogers6010，介電常數(shù)是10.2，高度是3mm，在“U”型饋線的一邊裝有一個二極管開關(guān)。表一中列出了該天線優(yōu)化后最理想的一組參數(shù)。

參數(shù)	尺寸（mm）	參數(shù)	尺寸（mm）
W0	40.0	L0	40.0
W1	4.2	L1	3.0
W2	2.0	L2	9.0
W3	18.0	L3	1.5
W4	1.0	L4	6.5
W5	20.0	L5	3.0
W6	3.0	L6	7.0
W7	34.0	L7	31.0
H	3.0	L8	3.0

二極管仿真模型如圖1中“U”型饋線上的灰色小方塊所示。p-i-n二極管型號為BAR64-02V，通過直流偏置網(wǎng)絡(luò)控制二極管在開與關(guān)兩種狀態(tài)下切換，根據(jù)p-i-n二極管的datasheet，在這兩種狀態(tài)(導(dǎo)通與截止)下其等效電路模型如圖2所示。

圖2、二極管導(dǎo)通與截止時等效電路

三、天線仿真結(jié)果

本文提出的介質(zhì)諧振天線通過利用HFSS的仿真，基于電磁場有限元方法，得到了該天線的反射系數(shù)（S₁₁），增益，方向圖等仿真結(jié)果圖。天線饋電一端的二極管開關(guān)是用來改變工作頻率的。因此，開關(guān)的兩種狀態(tài)“開” 和 “關(guān)”，分別對應(yīng)了兩種工作模式。當開關(guān)處于“開”狀態(tài)時，二極管導(dǎo)通，相當于一個2.1Ω的小電阻；當開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)時，二極管截止，相當于一個3kΩ電阻與0.17pF的小電容的并聯(lián)。為了在仿真中便于操作，二極管被一塊銅片所代替。當銅片連接時，就表明此時開關(guān)處于“開”的狀態(tài)；當銅片沒有連接時，就相當于開關(guān)處于“關(guān)”的狀態(tài)。環(huán)形的底板結(jié)構(gòu)使得天線的帶寬增加了，尤其是在低頻的時候。圖3給出了兩種工作狀態(tài)反射系數(shù)的結(jié)果圖。

圖3、二極管通斷時反射系數(shù)

通過圖3我們可以清楚的看出兩種寬頻帶的工作狀態(tài)，當開關(guān)“開”時，工作頻率是由4.10GHz~4.61GHz和5.83GHz~ 6.42GHz，阻抗帶寬為21%，在這個頻段內(nèi)的應(yīng)用很多，可以用于無限城域網(wǎng)；當開關(guān)“關(guān)”時，工作頻率是由8.16~8.68GHz，在這個頻段內(nèi)的阻抗帶寬為6%左右，在這個頻段可以用于X波段衛(wèi)星通訊。

在DRA上加入金屬貼片同樣也可以達到展寬帶寬的目的。圖4是加入金屬貼片后的側(cè)視圖。

圖4、天線模型俯視圖和側(cè)視圖

通過圖5可以得到在加入金屬貼片之后，該天線的阻抗帶寬有了一個明顯的提高。在二極管處于接通狀態(tài)時，工作頻率是4.15GHz~5.80GHz，阻抗帶寬是35%；在二極管處于斷開狀態(tài)時，工作頻率是6.85GHz~8.25GHz，阻抗帶寬是20%，從而形成了超寬帶天線。

圖5、二極管通斷時反射系數(shù)

在圖6中分別給出了兩個工作狀態(tài)，三個諧振頻率的E面和H面的輻射方向圖，其中4.37GHz和5.45GHz是開關(guān)“開”的時候的諧振頻率，而7.39GHz則是開關(guān)“關(guān)”的時候的諧振頻率。

(a)、4.37GHz E面和H面方向圖

(b)、5.45GHz E面和H面方向圖

(c)、7.39GHz E面和H面方向圖

圖6、三種頻率下yz平面(E面)和xz平面(H面)方向圖

根據(jù)圖6得出，在二極管導(dǎo)通的時候，H面的方向圖幾乎是全向的。而在二極管截止的時候，E面和H面的方向圖看起來都有一些殘缺，這是由于頻率升高，不對稱結(jié)構(gòu)和電流分布的不平衡所引起的，與此同時，在該工作模式下天線是線極化的。

四、總結(jié)

本文提出了一款超寬帶頻率可重構(gòu)矩形介質(zhì)諧振天線，該天線可以工作在兩個帶寬較寬的頻段內(nèi)。該DRA放置在一個40x40x1.58mm³尺寸的介質(zhì)基板上，并且利用一邊帶有二極管開關(guān)的“U”型微帶線進行饋電，二極管的通斷決定了該天線的兩種工作頻率，可以在4.12GHz~8.85GHz之間進行調(diào)節(jié)。這樣的天線可以應(yīng)用在無線城域網(wǎng)和X波段的衛(wèi)星通訊等方面。

作者：西安電子科技大學(xué) 胡勁涵 周俊娜

參考文獻

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本文刊登于微波射頻網(wǎng)旗下《微波射頻技術(shù)》雜志 2016無線射頻專刊，未經(jīng)允許謝絕轉(zhuǎn)載。