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可重構(gòu)天線設(shè)計

發(fā)布時間:2010-05-24 來源:21IC

中心議題:
  • 可重構(gòu)天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計
解決方案:
  • 在適當(dāng)位置安裝了RF-PIN開關(guān)
  • 天線以兩種正交的線極化方式工作

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、擴展系統(tǒng)帶寬,一方面可以滿足日益膨脹的實際需求,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)用價值。

天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計

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0.8mm,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:
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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2.44GHz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35dB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10dB,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2.4GHz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37dBi,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12dB,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現(xiàn)良好的互補。故在實際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)信號波的方向和強度的不同,來實時改變天線狀態(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。

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-10dB帶寬均可達到240MHz。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)用價值。
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