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双频圆极化可重构单极天线

ABSTRACT: A microstrip antenna with dual-band reconfigurable circular polarization (CP) characteristics in Wireless Local Area Network (WLAN) and Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) bands is presented in this article. The proposed antenna has a symmetrical U-shaped slot with PIN diodes on the ground plane. The slotted ground generates a resonant mode for broad impedance-band width, and excites contrary CP state at 2.45 GHz for WLAN and 3.4 GHz for WiMAX, respectively. Because switching the states of PIN diodes on the slot can redirect the current path, the CP state of the proposed antenna can be simply switched between the right-handed CP and left-handed CP. The proposed antenna has a low profile and a simple structure. Measured results of the fabricated antenna prototype are carried out to verify the simulation analysis. VC 2014 Wiley Periodicals, Inc. Int J RF and Microwave CAE 25:109–114, 2015.

Keywords: circular polarization; monopole antenna; reconfigurable antenna

摘要：本文提出在无线局域网(Wireless Local Area Network)和全球微波互联宽带接入技术（Worldwide Interoperability for Microwave Access）中引用可重构的圆极化双频微带天线。设计的微带天线在接地板上有一个对称的u型开槽和PIN二极管。在接地板上开槽能够产生一个谐振频率改变微带天线的阻抗和扩展带宽。同时天线能够产生左旋圆极化波和右旋圆极化波两种相反的圆极化状态，分别在无线局域网中采用2.45GHz,在微波互联宽带接入采用3.4GHz。因为切换PIN二极管的状态可以改变当前路径,天线的圆极化波状态能够轻松的在左旋圆极化波和右旋圆极化波之间切换。该天线具有低的剖面和一个简单的结构。该天线具有低姿态和一个简单的结构。根据理论制造天线并进行测量，测量结果证实了仿真分析。

关键词：圆极化，单极天线，可重构。

1介绍

可重构天线在无线通信系统中受到了很大的关注，因为他们可以提供多样性传输方式以提高通信质量和通信能力。如今多功能的应用越来越受人们欢迎，像这种应用正在把越来越多的服务整合在一起。多功能天线的需求使人们研究天线工作在不同的频率，不同的模式和不同的极化方式。随着现代电子技术的迅猛发展，综合电子信息系统呈现出超宽带、大容量、多功能的特点，使得综合信息系统的天线数量相应增加，这对于提高综合信息系统的电磁兼容特性、减轻重量、降低成本是非常不利的，也成为制约无线综合信息系统进一步发展和应用的一大瓶颈。解决无线通信瓶颈问题的关键是提高无线频谱资源利用的有效性，即在满足服务质量的前提下，最大限度地提高频谱效率及资源共享系统容量。“可重构天线”就是为克服这一瓶颈而提出来的。可重构天线研究旨在寻找一种天线方案，该方案能够将诸多天线的功能融合到同一天线口径中，从而用一个天线口径达到“万能”的目的以有效地利用频率资源、空间资源，一方面能通过天线资源的自适应配置，大大提高通信系统的传输容量。另一方面能通过天线结构的可重构，满足移动终端多通信业务的融合。可重构天线按功能可分为频率可重构、方向图可重构、极化可重构和多参数可重构天线。极化可重构由于它能增加独立的收发信道而不增加天线体积，尤其适用于体积受限的移动终端，而且极化可调天线可以实现频率复用、消除通信系统中多径衰落，通过极化控制改善通信系统和遥感系统性能。因此引起了越来越多的关注。其中圆极化天线由于不存在极化失配的现象，更容易获得相关性较低的平衡接收功率而呈现较大优势。因为圆极化天线能够提供更可靠接收灵敏度和在大气中传播更好的模式，因此在移动无线通信中大受好评。现代通信系统很重视在左旋圆和右旋圆之间切换状态。带有可以切换频率开关的极化多样性天线能够重构谐振频率和扩展系统容量两倍。

实现可重构的圆极化天线一个方法是使用单馈点的矩形贴片微带天线，通过开关控制贴片的角切断。也可以用一个开关可控的馈电网络实现可重构圆极化微带天线。天线能够提供完整的极化，包括两个正交的线极化，左旋极化，右旋极化。但这样只可以使天线在一个频率带宽里转换。带有控制的槽的天线贴片可以实现双频带的可重构圆极化天线，然而，这种天线只改变了天线的圆极化工作频率。天线在2.49GHz和2.44GHz两个频率上实现可重构圆极化天线。但是阻抗带宽（110 and 100 MHz）和轴比带宽（30 and 20 MHz）比所设计的天线小很多。除此之外，我们用了更少的二极管和电容器。尽管在我们设计中的中心谐振频率2.45GHz左右圆极化波带宽（55–110 MHz）接近于要求的低的圆极化带宽（130 MHz），但是三维尺寸()太大。此外，很少有以前的研究专注在双频带可重构圆极化天线设计。

单极天线是竖直的具有四分之一波长的天线。该天线安装在一个接地平面上，它可以是实际地面，也可以是诸如搭载工具车体等人造接地面上。单极天线的馈电是在下端点使用同轴电缆进行的，馈线的接地导体与平台相连接。在自由空间中，四分之一波长单极天线在垂直平面上的辐射方向图与半波偶极天线在垂直平面中的方向图形状相似，但没有地下辐射。在水平面上，垂直单极天线是全向性的。四分之一波长单极天线根部的输入阻抗为偶极天线阻抗的一半。辐射功率也为偶极天线的一半。在某些移动和便携设备上，四分之一的波长还是太大了，在这种情况下可以用增加天线的电感来增加天线的电气长度，这种做法在天线的根部和中部都可以进行，或者也可以将整个天线做成线圈状。

本文提出一种双频带可重构圆极化天线，在接地板上开对称的u形槽，并带有PIN二极管。在接地板上开L形槽可以形成双频带圆极化辐射。直观的说，我们可以简单地通过控制L形槽的位置和方向，来改变圆极化天线的状态。通过切换槽上的PIN二极管的状态，槽的电性质形状将会在L形和倒L形之间切换。因此，所设计的天线的圆极化状态同时在在低的频带（大约2.45GHz，无线局域网）和高的频带（大约3.4GHz，微波互联接入）实现左右圆极化波的切换。由于可以通过开关控制天线同时在两个频带上实现左旋圆（LHCP）和右旋圆切换，该天线能够用在多功能应用中以实现频率的可重构，同时也进一步提高系统的容量。

2 天线设计

图一：天线的几何形状（深/浅灰色表示微带天线的前后存底）

如图一所示，本文描述了一个双频带圆极化微带天线，在接地板上开L形槽。该微带天线由介质常数的环氧树脂FR-4构成基板，厚度为1.6mm。天线的整体尺寸大约是。磁单极子的长度和L形槽的长度大约为2.45GHz频率的波长的四分之一。辐射单磁极子L0的长度和L形槽的长度有如下公式给出

此式子中 ，c为光速 ，是自由空间中频率为的单极子电磁波的谐振频率。是近似有效介电常数。微带天线的矩形贴片产生垂直线性极化，产生一个垂直的E向分量（EV），实现宽的阻抗带宽。为了实现圆极化辐射波，在接地板上嵌入一个L形槽。这个L形槽能够产生一个水平的E向分量（EH）。通过调整L0参数和S1和S2，我们能够使水平E向分量和垂直E向分量大小相等，相位相差90度。在低频带段（2.45GHz附近），水平分量(EH)超前垂直分量（EV）90度 ，天线产生左旋圆极化波。在高一点的额频带上（3.4GHz附近），水平分量(EH)滞后垂直分量（EV）90度，天线能产生右旋圆极化电磁波。图2显示了分别在2.45GHz和3.4GHz的极化电流分布。在较低的频带上,电流顺时针旋转,天线处于LHCP辐射模式。与此同时，在较高的频带上电流逆时针旋转,天线处于RHCP辐射模式。简单的沿着x轴反转一下L形槽，天线在两个频带上的圆极化状态将会反转。

如图一所示，可重构微带天线接地板上有一个u形槽，两个PIN二极管（SMP1320-079）和两个电容器（470pF）。对称的u形槽是由L形槽和倒L形槽组成。当接通一个正电压，二极管导通，由于导通二极管电阻很小，所以电路可以看成短路。与此相反，当接通一个负向电压时，二极管可认为是一个小电容，电路为开路。为了控制二极管的开通状态，我们设计了一个偏置电路，这个电路可以隔离直流电路而不改变交流射频电流。两个直流电容模块是用来连接两个被分割的接地板。由于计算的阻抗值很小，他们可以视为一个短路的射频信号。两个射频扼流电感是用来隔断射频信号流入直流信号。我们调整变阻器使V1为0.7V。两个单刀开关是用来转换偏置电压的极性。因此，我们可以选择和启用两个独立的二极管D1和D2。在一种情况在，D1导通，D2截止，U形槽表现为L形槽，并且能够在2.45GHz上产生左旋圆和在3.4GHz上产生右旋圆。与此相反，在另一种情况下，D1截止，D2导通，U形槽表现为倒L形，并且能够在2.45GHz上产生右旋圆和在3.4GHz上产生左旋圆。表1给出了圆极化可重构天线的操作和计划控制。目前对可重构天线的研究部分依赖于微机电系统(MEMS)技术，将MEMS开关集成在天线口径中，用软硬件结合的方式实时控制和调整开关状态，来重构天线特性。在国内外已发表论文中，许多采用了在

贴片天线上加载MEMS开关或PIN开关的方法，通过控制开关通断改变天线结构，实现不同的线极化或圆极化。但是就目前国内外研究的圆极化可重构天线来说，大部分是在单个频段上实现的，在两个或多个频段上同时实现圆极化可重构的天线还鲜有报道，在移动通信领域中，多频技术有着广泛的应用，因此研究多频段圆极化可重构天线有着实际应用意义。

3仿真和实验结果

所设计的双频带可重构的圆极化天线是由介电常数为4.4的介质造成，厚度为1.6mm。所有的几何参数为 W=40mm，L=40mm，=3mm，Lf=6mm，W0=8mm，L0=20mm，W1=2.4mm，L1=10mm，h=13mm，Ws=1.2mm，S1=7mm，S2=11mm，S3=7mm，S4=2mm。二极管的模拟参数为，电容器的模拟尺寸为。微带天线槽的尺寸正在测试中，图5显示了u形槽的长度S1和位置S3对天线的回波损耗（S11）和轴比（AR）的影响。如图5所展示，中心频率处的回波损耗和轴比随着S1增大而减小，这是因为槽的有效电长度随着S1的长度增加而增加。然后-10dB带宽的S11参数对S1表现相对静止，不受影响。然后-3dB的轴比带宽却相对敏感。此外，随着S1的变化，回波损耗总是比-10dB小在轴比为-3dB带宽里。在槽的其他长度里，相对于S1，S2参数也有一个类似的影响。因此可以很清楚的看到这一点，随着槽的长度的增加，中心频率处的轴比随之下降。所以，我们可以主要通过控制槽的S1和S2的长度来控制天线的圆极化波的频段。综合全面的估计天线在高的频段和低的频段上的性能，我们采取S1和S2分别为7mm和11mm。槽的位置S3对轴比有轻微的影响，然后S11强烈的依赖于S3的位置。在高的带宽和低的带宽上同时获得了好得阻抗匹配和轴比。我们选择槽的位置S3为7mm。S11参数的仿真-10dB带宽大约为1.86GHz，从2.18到4.04GHz。仿真分析总中，在低的2.45GHz频带上，轴比为1.93dB,在高的频带3.4GHz上，轴比为0.31dB。

仿真得出了微带天线在两种频段上的频率响应。S11是使用矢量网络分析仪测试的（Agilent N5230C）。测量的-10dB带宽在同时两个S1和S2状态下的都为1.79GHz（从2.25GHz到4.04GHz）。获取了良好的匹配。无反射的室是用来测量轴比和辐射模式的。仿真结果可以得到天线的轴比和增益在两个频带上的结果。在状态一3dB轴比带宽大约为130MHz，大约从2.37到2.5GHz（130 MHz从2.36 到 2.49 GHz）。和250MHz ，大约从3.3GHz到3.55GHz（230MHz从3.3到3.53GHz）。测量的最小的轴比在两个频带上分别为，低频带2.45GHz上为1.6dB,在高频带3.4GHz上为0.72dB。测量的增益在2.45GHz上为1.56 dBi，测量的增益在3.4GHz上为1.05 dBi。PIN二极管的开关时间少于100us,所以在开关转换瞬间，天线可以瞬时改变圆极化状态。 此外，尽管小变化的温度、湿度、和其他因素,天线的性能仍然相对稳定。

仿真结果可以看出，圆极化天线的两个频带分别在2

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