手持移動(dòng)終端的可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)

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題凸顯出來。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。即通過開關(guān)控制來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(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(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開關(guān)控制電路示意圖如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)及開關(guān)電路示意圖

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(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(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：

圖2 兩種模式下天線S11曲線

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。