超寬帶頻率可重構矩形介質諧振天線

2016-12-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網

在本文中,一款超寬帶頻率可重構介質諧振天線(FR-DRA)被提出并討論。這個天線能夠在4.15GHz~8.25GHz實現(xiàn)兩個不同頻段的切換。本文提出的DRA介電常數(shù)為10.2,由一段“U”型微帶線饋電,并且在饋電網絡的一支裝有一個p-i-n二極管來實現(xiàn)“開”和“關”的兩種狀態(tài),從而實現(xiàn)了兩個不同頻段的轉換。與此同時,在兩種工作頻段下也有很好的匹配。該天線整體的尺寸大小是40x40x1.58mm3。結果表明FR-DRA可以提供兩種不同工作頻率的轉換,并且它們的阻抗帶寬分別是35%和20%。

一、引言

介質諧振天線是目前天線研究的一個熱門方向,其具有許多傳統(tǒng)天線所不具備的優(yōu)點,比如低損耗、寬頻帶、高增益、低成本等[1]。在毫米波至太赫茲頻段,金屬的趨膚效應會變的非常顯著,因此,金屬天線的效率會大幅降低。相反,介質天線幾乎完全由介質構成,不受趨膚效應的影響,因此,介質天線在毫米波及太赫茲波段具有更大的應用價值[2-3]。

另外,在無線領域的需求量增加,導致天線在降低成本的同時又要提高自身的性能,這種種的苛刻條件使得天線設計者們開始研發(fā)多功能的天線,而最近可重構天線受到了極大的關注,因為這一類天線自身有改變系統(tǒng)需求的能力或者能夠自動地適應不同的環(huán)境條件。可重構天線也是多種多樣的,無論窄帶或寬帶,都可以工作在某目標頻段。當然還有許多優(yōu)點,比如可重構能力、多功能性、小型化、低成本等。這些優(yōu)點可以有機的結合到無線系統(tǒng)當中[4-5]。盡管傳統(tǒng)的金屬天線也存在可重構的方法,但是對于DRA來說很少有頻率是可重構的。在現(xiàn)有的一些文獻中,他們運用了不同的方法來實現(xiàn)頻率可重構[6-8]。比如一些頻率可重構的DRA是通過在地板和DRA之間增加空氣帶隙來改變頻率,還有一些通過在饋電網絡上增加開關的方法來改變工作頻率,更特殊的還有通過改變水面的高度來改變介質塊的高度,從而實現(xiàn)了頻率的可調。基于現(xiàn)有的文獻,還沒有一個頻率可重構的天線可以實現(xiàn)從一個寬帶到另一個寬帶的轉變。

在本文的設計中,超寬帶頻率可重構介質諧振天線被提出和研究,一個二極管開關加載在“U”型微帶線的一邊,來實現(xiàn)兩種工作頻段的轉換。在設計中利用HFSS(High Frequency Structure Simulator)軟件對天線進行仿真,為了能夠實現(xiàn)所需功能,對天線結構尺寸進行了仿真優(yōu)化比較,并在文中給出了天線反射系數(shù)、方向圖,增益等結果圖,然后結合仿真結果進行分析總結。

二、天線結構設計

在本文中提出的FR-DRA的結構如圖1所示。

(a)、天線模型俯視圖和側視圖

(b)、天線各個參數(shù)尺寸和位置

圖1、天線模型結構

該天線是由一塊矩形介質諧振器,一段“U”型的微帶線饋線和一塊Taconic材料的介質板組成,其中介質板的尺寸是40x40x1.58mm3。DRA的材料是Rogers6010,介電常數(shù)是10.2,高度是3mm,在“U”型饋線的一邊裝有一個二極管開關。表一中列出了該天線優(yōu)化后最理想的一組參數(shù)。

二極管仿真模型如圖1中“U”型饋線上的灰色小方塊所示。p-i-n二極管型號為BAR64-02V,通過直流偏置網絡控制二極管在開與關兩種狀態(tài)下切換,根據(jù)p-i-n二極管的datasheet,在這兩種狀態(tài)(導通與截止)下其等效電路模型如圖2所示。

圖2、二極管導通與截止時等效電路

三、天線仿真結果

本文提出的介質諧振天線通過利用HFSS的仿真,基于電磁場有限元方法,得到了該天線的反射系數(shù)(S11),增益,方向圖等仿真結果圖。天線饋電一端的二極管開關是用來改變工作頻率的。因此,開關的兩種狀態(tài)“開” 和 “關”,分別對應了兩種工作模式。當開關處于“開”狀態(tài)時,二極管導通,相當于一個2.1Ω的小電阻;當開關處于“關”狀態(tài)時,二極管截止,相當于一個3kΩ電阻與0.17pF的小電容的并聯(lián)。為了在仿真中便于操作,二極管被一塊銅片所代替。當銅片連接時,就表明此時開關處于“開”的狀態(tài);當銅片沒有連接時,就相當于開關處于“關”的狀態(tài)。環(huán)形的底板結構使得天線的帶寬增加了,尤其是在低頻的時候。圖3給出了兩種工作狀態(tài)反射系數(shù)的結果圖。

圖3、二極管通斷時反射系數(shù)

通過圖3我們可以清楚的看出兩種寬頻帶的工作狀態(tài),當開關“開”時,工作頻率是由4.10GHz~4.61GHz和5.83GHz~ 6.42GHz,阻抗帶寬為21%,在這個頻段內的應用很多,可以用于無限城域網;當開關“關”時,工作頻率是由8.16~8.68GHz,在這個頻段內的阻抗帶寬為6%左右,在這個頻段可以用于X波段衛(wèi)星通訊。

在DRA上加入金屬貼片同樣也可以達到展寬帶寬的目的。圖4是加入金屬貼片后的側視圖。

圖4、天線模型俯視圖和側視圖

通過圖5可以得到在加入金屬貼片之后,該天線的阻抗帶寬有了一個明顯的提高。在二極管處于接通狀態(tài)時,工作頻率是4.15GHz~5.80GHz,阻抗帶寬是35%;在二極管處于斷開狀態(tài)時,工作頻率是6.85GHz~8.25GHz,阻抗帶寬是20%,從而形成了超寬帶天線。

圖5、二極管通斷時反射系數(shù)

在圖6中分別給出了兩個工作狀態(tài),三個諧振頻率的E面和H面的輻射方向圖,其中4.37GHz和5.45GHz是開關“開”的時候的諧振頻率,而7.39GHz則是開關“關”的時候的諧振頻率。

(a)、4.37GHz E面和H面方向圖

(b)、5.45GHz E面和H面方向圖

(c)、7.39GHz E面和H面方向圖

圖6、三種頻率下yz平面(E面)和xz平面(H面)方向圖

根據(jù)圖6得出,在二極管導通的時候,H面的方向圖幾乎是全向的。而在二極管截止的時候,E面和H面的方向圖看起來都有一些殘缺,這是由于頻率升高,不對稱結構和電流分布的不平衡所引起的,與此同時,在該工作模式下天線是線極化的。

四、總結

本文提出了一款超寬帶頻率可重構矩形介質諧振天線,該天線可以工作在兩個帶寬較寬的頻段內。該DRA放置在一個40x40x1.58mm3尺寸的介質基板上,并且利用一邊帶有二極管開關的“U”型微帶線進行饋電,二極管的通斷決定了該天線的兩種工作頻率,可以在4.12GHz~8.85GHz之間進行調節(jié)。這樣的天線可以應用在無線城域網和X波段的衛(wèi)星通訊等方面。

作者:西安電子科技大學 胡勁涵 周俊娜

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參考文獻

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