用于手持移動(dòng)終端的可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)
用于手持移動(dòng)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(dòng)終端的可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)方法。該天線安裝有兩個(gè)RF-PIN開(kāi)關(guān),可通過(guò)一個(gè)直流控制電路控制開(kāi)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(dòng)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(guò)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(wú)線通信系統(tǒng)的前端,其性能對(duì)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(duì)其提出了諸如多頻、寬帶、小型化等要求。隨著無(wú)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(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)天線的高要求,但是,天線數(shù)目的增多,會(huì)使設(shè)備成本、天線的空間布局等問(wèn)題凸顯出來(lái)。特別是在手持移動(dòng)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(shì)。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(gè)天線能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)天線的功能,適應(yīng)移動(dòng)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(guò)開(kāi)關(guān)控制來(lái)改變反射器或引向器的有效諧振長(zhǎng)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(gè)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(guò)在天線上開(kāi)槽或者采用多條饋線,并在不同位置安裝開(kāi)關(guān)來(lái)改變開(kāi)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(shí)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(dòng)設(shè)備。
本文提出了一種用于手持移動(dòng)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(kāi)關(guān),可通過(guò)直流控制電路控制開(kāi)關(guān)的通斷,以使天線以兩種正交的線極化方式工作,同時(shí)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(gè)天線來(lái)實(shí)現(xiàn)MIMO(多輸入多輸出系統(tǒng))的潛力,故在移動(dòng)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(kāi)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(gè)RF-PIN開(kāi)關(guān);Cl、C2為旁路電容,對(duì)高頻信號(hào)短路;L1、L2為電感,對(duì)高頻信號(hào)開(kāi)路。二極管和電容通過(guò)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(gè)微帶結(jié)構(gòu)通過(guò)RF-PIN開(kāi)關(guān)與電路板地相連,中間的微帶為饋線,并通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí),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(shí)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(shí),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(huì)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(shí),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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shuō)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(huì)發(fā)生顯著變化。在YZ和XZ兩個(gè)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(gè)方向的來(lái)波信號(hào);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(huì)發(fā)生明顯改變,并且在這個(gè)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(hào)波的方向和強(qiáng)度的不同,來(lái)實(shí)時(shí)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(hào)的信噪比,提高通信速率和系統(tǒng)容量。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種用于手持移動(dòng)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(gè)RF-PIN開(kāi)關(guān),可通過(guò)一個(gè)直流控制電路來(lái)控制開(kāi)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(shí)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(shí)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(guò)開(kāi)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(dòng)終端的多天線系統(tǒng),因此在移動(dòng)通信系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用價(jià)值。