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目前，各種通信系統發展的重要方向之一是大容量、多功能、超寬帶。通過提高系統容量、增加系統功能、擴展系統帶寬，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成本。而天線作為各種無線通信系統的前端，其性能對于通信系統整體功能具有重要的影響，因此也相應的對其提出了諸如多頻、寬帶、小型化等要求。隨著無線通信系統的日益復雜化，單一的傳統天線已經不能滿足要求。而多天線設計雖然可以滿足新一代無線通信系統對天線的高要求，但是，天線數目的增多，會使設備成本、天線的空間布局等問題凸顯出來。特別是在手持移動設備上，由于空間有限，使得多天線的設計異常困難。在這種情況下，可重構天線就具有非常明顯的優勢。它可在不改變天線的尺寸和結構的情況下在天線的方向圖、工作頻率、極化特性等方面實現重構，從而使一個天線能夠實現多個天線的功能，適應移動終端不同的應用環境和要求。 在天線的方向圖可重構方面，目前的研究主要集中在采用八木形式的結構上。即通過開關控制來改變反射器或引向器的有效諧振長度，從而實現反射或者引向作用，使天線的輻射方向發生變化。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來改變開關的狀態從而實現極化方式的變化，但是，這種天線的面積較大，同時采用多條饋線的結構太復雜，都不適用于實際的移動設備。 本文提出了一種用于手持移動設備的可重構天線．該天線在適當位置安裝了RF-PIN開關，可通過直流控制電路控制開關的通斷，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生變化，從而實現極化方式和方向圖的重構。該天線結構緊湊，面積小，易于制造，并具有在同一終端安裝多個天線來實現MIMO(多輸入多輸出系統)的潛力，故在移動終端中有良好的應用價值。 1 天線結構與設計 天線可以與手持設備電路板集成在一起，安裝在電路板的左上角，其結構和RF-PIN開關控制電路示意圖如圖1所示。 通常的天線版圖位于介質基片的底面，控制電路位于基片的頂面，圖l中的D1、D2為兩個RF-PIN開關；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，介電常數為4．4的FR4材料。水平與垂直的兩個微帶結構通過RF-PIN開關與電路板地相連，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，在介電常數為εeff的基片上，微帶線的波導波長約為： 由于兩種工作狀態下，天線的接地端不同，因此，天線的有效輻射部分也有所不同。當處于X模式時，天線結構中垂直部分的微帶線接地，因此，天線的輻射部分應該為水平部分的微帶，天線也相應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，水平極化波能量遠大于垂直極化波能量，天線工作在水平極化方式下。 當處于Y模式下時，天線結構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，此時天線也相應工作在垂直極化方式下。圖3(b)所示為模式Y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。 事實上，在兩種工作模式下，天線的總體方向圖會發生顯著變化。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，天線在兩種狀態下的方向圖顯著不同，最大輻射方向會發生明顯改變，并且在這個輻射平面上可以實現良好的互補。故在實際應用中，應根據信號波的方向和強度的不同，來實時改變天線狀態，調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容量。 3 結束語 本文提出了一種用于手持移動設備的可重構天線的設計方法，該天線安裝了兩個RF-PIN開關，可通過一個直流控制電路來控制開關的通斷，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生變化，從而實現極化方式和方向圖的同時重構。仿真結果表明，在兩種狀態下，該天線的-10 dB帶寬均可達到240 MHz。而且通過開關狀態的切換，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150°。該天線結構緊湊，面積小，易于制造，可用于移動終端的多天線系統，因此在移動通信系統中有良好的應用價值。 |
