摘 要： 研究了一种基于对称结构的新型频率可重构微带贴片天线。通过在贴片上对称开槽加载PIN开关二极管，实现了良好的频率可重构特性。利用仿真软件HFSS13.0对天线进行仿真验证，仿真结果表明，天线可以很好地工作在DSC-1800、PCS-1900、UMTS 3个频段，且方向图几乎保持不变。此类的可重构天线非常适合于无线通信领域的应用。
关键词： 频率可重构；微带贴片天线；PIN二极管
0 引言
21世纪是一个信息时代，随着科学技术的飞速发展，以无线传输方式传递信息已成为时代的主题。现代移动通信、卫星通信在人们生活中起着不可替代的作用，天线作为无线传输系统发射能量的终端及接收能量的初始端，它对整个系统起到承上启下的作用，因此对其性能有很高的要求[1-2]。
频率可重构天线通过加载一个或者多个可控制器件改变天线的结构，使天线的工作频段在一定范围内重构，而其他参数基本保持不变，同时，使天线具有多频带、超宽带的性能，还能够有效避免自身和外界带来的电磁干扰，适应新的环境，确保通信的总体稳定性[3-4]。近年来，国内外对各种形式的频率可重构天线进行了不少研究[5-7]。
本文设计了一种平面贴片天线，使用二极管来控制电源的通断，实现天线在3个频段的重构。这款天线使用了共面波导的馈电方式，这种馈电方式使得这款天线有了更大的带宽、更好的阻抗匹配以及更低的辐射损耗等优点。
1 频率可重构天线的设计
图1为频率可重构天线的设计结构，该天线是印制在介质基板大小为60 mm×60 mm×1.6 mm的FR4板材上的，其相对介电常数为4.6，损耗角正切值为0.02。CPW馈线以及地板金属均是印刷在天线的上表面上，其中共面波导馈线的宽度为1 mm，馈线与地板的缝宽为1.3 mm，大圆的半径为15.2 mm，小圆的半径为14.1 mm，其余的参数为L0=6.93 mm，L1=3.2 mm，L2=1.5 mm。此次的天线设计中使用的PIN二极管是Philips Semiconductors公司生产的BAP51-02，根据数据手册中给出的结论，二极管在导通状态下，等效为1.5 Ω的电阻；二极管在断开状态下，等效为0.2 pF的电容与10 kΩ的电阻组成的并联电路。
2 频率可重构天线的仿真结果
天线的仿真结果由3D电磁仿真软件Ansoft HFSS13.0计算得出，天线仿真的回波损耗如图2所示，仿真结果的汇总如表1所示。
在仿真过程中发现，天线表面的电流主要分布在槽的两端，因此改变其长度，天线的谐振点就会发生偏移。当天线上加载的二极管处于不同的状态时，天线上槽的长度也就不断变化，所以通过调整开关的通断状态就可以改变天线的谐振点位置。当所有二极管处于断开状态时，槽的长度最长，这时的工作频率也就最低；当二极管逐渐导通时，开关直接与地板相连，槽的长度被减短，谐振点逐渐向高频方向移动。
当二极管导通时只能等效为1.5 Ω的电阻；在断开状态下，等效为0.2 pF的电容与10 kΩ的电阻组成的并联电路。断开时引入到天线中的等效电路对电流分布的影响比较大，1.5 Ω电阻的影响就会比较小，所以在模式3的条件下将D3、D2全部导通。对于其他的工作模式，基于相同的原因，都选择了将其导通。
由表1可以看出，模式1的频率范围覆盖了DSC-1800（Digital Cellular System，1 710 MHz~1 880 MHz），模式2的频率范围覆盖了PCS-1900（Personal Communications Service，1 880 MHz~1 900 MHz），模式3和模式4的工作频带覆盖了UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，1 920 MHz~2 170 MHz），带宽很好地覆盖了所需的目标频段，而且工作频段的匹配非常好。
图3显示了3个工作频段的天线辐射方向图。该频率可重构天线在3个不同的工作频率下的结构与表面电流分布都非常相似，因此方向图在3个频段几乎保持不变，天线在模式1的谐振点1.794 GHz处的最大增益为1.329 dBi，在模式2的谐振点1.869 GHz处的最大增益为1.177 dBi，在模式3的谐振点1.956 GHz处的最大增益为1.447 dBi，在模式4的谐振点2.102 GHz处的最大增益为1.396 dBi，非常有利于此类天线应用于无线通信领域。
3 结论
本文设计了一种平面贴片天线，有3个频段的工作模式，每个模式都有较大的带宽和良好的端口匹配。因为天线在不同的工作模式下结构都很相似，所以方向图保持稳定，每个都十分相似。这款天线是使用二极管来控制电流的通断，二极管较高的功率容限以及较低的价格为这款天线降低了成本。
参考文献
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