用于手持移動終端的可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)

用于手持移動終端的可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種可用于手持移動終端的可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)方法。該天線安裝有兩個RF-PIN開關(guān)，可通過一個直流控制電路控制開關(guān)的狀態(tài)，以使天線的極化方式和輻射方向圖發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)極化可重構(gòu)和方向圖可重構(gòu)。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，易于與電路板集成在一起，在移動終端中有良好的應(yīng)用價(jià)值。

O 引言
    目前，各種通信系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一是大容量、多功能、超寬帶。通過提高系統(tǒng)容量、增加系統(tǒng)功能、擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬，一方面可以滿足日益膨脹的實(shí)際需求，另一方面也可以降低系統(tǒng)成本。而天線作為各種無線通信系統(tǒng)的前端，其性能對于通信系統(tǒng)整體功能具有重要的影響，因此也相應(yīng)的對其提出了諸如多頻、寬帶、小型化等要求。隨著無線通信系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，單一的傳統(tǒng)天線已經(jīng)不能滿足要求。而多天線設(shè)計(jì)雖然可以滿足新一代無線通信系統(tǒng)對天線的高要求，但是，天線數(shù)目的增多，會使設(shè)備成本、天線的空間布局等問題凸顯出來。特別是在手持移動設(shè)備上，由于空間有限，使得多天線的設(shè)計(jì)異常困難。在這種情況下，可重構(gòu)天線就具有非常明顯的優(yōu)勢。它可在不改變天線的尺寸和結(jié)構(gòu)的情況下在天線的方向圖、工作頻率、極化特性等方面實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，從而使一個天線能夠?qū)崿F(xiàn)多個天線的功能，適應(yīng)移動終端不同的應(yīng)用環(huán)境和要求。
    在天線的方向圖可重構(gòu)方面，目前的研究主要集中在采用八木形式的結(jié)構(gòu)上。即通過開關(guān)控制來改變反射器或引向器的有效諧振長度，從而實(shí)現(xiàn)反射或者引向作用，使天線的輻射方向發(fā)生變化。但是，這種方式需要多個天線。故在手持終端有限的空間下，采用這種方式有很大的困難。另外，在天線極化方式可重構(gòu)方面，研究的重點(diǎn)也是單貼片的天線，即通過在天線上開槽或者采用多條饋線，并在不同位置安裝開關(guān)來改變開關(guān)的狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)極化方式的變化，但是，這種天線的面積較大，同時采用多條饋線的結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，都不適用于實(shí)際的移動設(shè)備。
    本文提出了一種用于手持移動設(shè)備的可重構(gòu)天線．該天線在適當(dāng)位置安裝了RF-PIN開關(guān)，可通過直流控制電路控制開關(guān)的通斷，以使天線以兩種正交的線極化方式工作，同時也使天線的方向圖發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)極化方式和方向圖的重構(gòu)。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，面積小，易于制造，并具有在同一終端安裝多個天線來實(shí)現(xiàn)MIMO(多輸入多輸出系統(tǒng))的潛力，故在移動終端中有良好的應(yīng)用價(jià)值。

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
    天線可以與手持設(shè)備電路板集成在一起，安裝在電路板的左上角，其結(jié)構(gòu)和RF-PIN開關(guān)控制電路示意圖如圖1所示。

    通常的天線版圖位于介質(zhì)基片的底面，控制電路位于基片的頂面，圖l中的D1、D2為兩個RF-PIN開關(guān)；Cl、C2為旁路電容，對高頻信號短路；L1、L2為電感，對高頻信號開路。二極管和電容通過通孔與底面的天線連接。該天線基片采用厚度為0．8 mm，介電常數(shù)為4．4的FR4材料。水平與垂直的兩個微帶結(jié)構(gòu)通過RF-PIN開關(guān)與電路板地相連，中間的微帶為饋線，并通過同軸電纜直接饋電。微帶天線的諧振頻率主要取決于微帶線的長度，在一般情況下，在介電常數(shù)為εeff的基片上，微帶線的波導(dǎo)波長約為：
    

    由于兩種工作狀態(tài)下，天線的接地端不同，因此，天線的有效輻射部分也有所不同。當(dāng)處于X模式時，天線結(jié)構(gòu)中垂直部分的微帶線接地，因此，天線的輻射部分應(yīng)該為水平部分的微帶，天線也相應(yīng)工作在水平極化方式。圖3所示為天線在2．44 GHz時的射頻電流分布圖。
從圖3可以看出，射頻電流主要集中在天線水平方向的微帶線上(這印證了前面的分析)。但同時，在中間部分的微帶以及天線其他部分也存
在射頻電流，因此，天線仍會輻射部分垂直極化波。圖4所示為天線的兩種極化波在XY及YZ平面的方向圖。

    圖4中，Theta表示水平極化方波，Phi表示垂直極化波，從圖中可以看出，在XY平面上，水平極化波的平均增益比垂直極化波高35 dB以上，而在YZ平面上，水平極化波具有良好的全向性，且平均增益比垂直極化波高約10 dB，因此可以判斷，水平極化波能量遠(yuǎn)大于垂直極化波能量，天線工作在水平極化方式下。

    當(dāng)處于Y模式下時，天線結(jié)構(gòu)中水平部分的微帶線接地，因此，垂直部分的微帶線是天線的有效輻射體，此時天線也相應(yīng)工作在垂直極化方式下。圖3(b)所示為模式Y(jié)下天線在2．4 GHz的射頻電流分布圖，從圖中可以看出，此時的射頻電流主要集中在天線垂直方向的微帶線上，天線此時工作在垂直極化方式下。圖5所示為該模式下天線兩種極化波在XY和YZ平面的方向圖。
    從圖5中可以看出，在XY平面上，垂直極化波的最大增益比水平極化波高37 dBi，同時在YZ平面上，垂直極化波也有良好的全向性。其最大增益比水平極化波高12 dB，說明在該模式下，天線可良好地輻射垂直極化波，而交叉極化分量很低。

    事實(shí)上，在兩種工作模式下，天線的總體方向圖會發(fā)生顯著變化。在YZ和XZ兩個平面上。天線方向圖具有良好的全向性，能盡可能的接受各個方向的來波信號；而在XY平面上，天線在兩種狀態(tài)下的方向圖顯著不同，最大輻射方向會發(fā)生明顯改變，并且在這個輻射平面上可以實(shí)現(xiàn)良好的互補(bǔ)。故在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)信號波的方向和強(qiáng)度的不同，來實(shí)時改變天線狀態(tài)，調(diào)整方向圖的最大輻射方向，以有效地提高天線信號的信噪比，提高通信速率和系統(tǒng)容量。

3 結(jié)束語
    本文提出了一種用于手持移動設(shè)備的可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)方法，該天線安裝了兩個RF-PIN開關(guān)，可通過一個直流控制電路來控制開關(guān)的通斷，以使天線工作在垂直極化或水平極化方式，同時也使天線方向圖發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)極化方式和方向圖的同時重構(gòu)。仿真結(jié)果表明，在兩種狀態(tài)下，該天線的-10 dB帶寬均可達(dá)到240 MHz。而且通過開關(guān)狀態(tài)的切換，還可以使天線在水平和垂直線極化方式之間切換，并使天線輻射方向圖的主瓣方向也偏轉(zhuǎn)150°。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，面積小，易于制造，可用于移動終端的多天線系統(tǒng)，因此在移動通信系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用價(jià)值。