手持移動(dòng)終端的可重構天線(xiàn)設計

O 引言

目前，各種通信系統發(fā)展的重要方向之一是大容量、多功能、超寬帶。通過(guò)提高系統容量、增加系統功能、擴展系統帶寬，一方面可以滿(mǎn)足日益膨脹的實(shí)際需求，另一方面也可以降低系統成本。而天線(xiàn)作為各種無(wú)線(xiàn)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(zhù)無(wú)線(xiàn)通信系統的日益復雜化，單一的傳統天線(xiàn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求。而多天線(xiàn)設計雖然可以滿(mǎn)足新一代無(wú)線(xiàn)通信系統對天線(xiàn)的高要求，但是，天線(xiàn)數目的增多，會(huì )使設備成本、天線(xiàn)的空間布局等問(wèn)題凸顯出來(lái)。特別是在手持移動(dòng)設備上，由于空間有限，使得多天線(xiàn)的設計異常困難。在這種情況下，可重構天線(xiàn)就具有非常明顯的優(yōu)勢。它可在不改變天線(xiàn)的尺寸和結構的情況下在天線(xiàn)的方向圖、工作頻率、極化特性等方面實(shí)現重構，從而使一個(gè)天線(xiàn)能夠實(shí)現多個(gè)天線(xiàn)的功能，適應移動(dòng)終端不同的應用環(huán)境和要求。

在天線(xiàn)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(guò)開(kāi)關(guān)控制來(lái)改變反射器或引向器的有效諧振長(cháng)度，從而實(shí)現反射或者引向作用，使天線(xiàn)的輻射方向發(fā)生變化。但是，這種方式需要多個(gè)天線(xiàn)。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(xiàn)極化方式可重構方面，研究的重點(diǎn)也是單貼片的天線(xiàn)，即通過(guò)在天線(xiàn)上開(kāi)槽或者采用多條饋線(xiàn)，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)現極化方式的變化，但是，這種天線(xiàn)的面積較大，同時(shí)采用多條饋線(xiàn)的結構太復雜，都不適用于實(shí)際的移動(dòng)設備。

本文提出了一種用于手持移動(dòng)設備的可重構天線(xiàn)．該天線(xiàn)在適當位置安裝了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(xiàn)以?xún)煞N正交的線(xiàn)極化方式工作，同時(shí)也使天線(xiàn)的方向圖發(fā)生變化，從而實(shí)現極化方式和方向圖的重構。該天線(xiàn)結構緊湊，面積小，易于制造，并具有在同一終端安裝多個(gè)天線(xiàn)來(lái)實(shí)現MIMO(多輸入多輸出系統)的潛力，故在移動(dòng)終端中有良好的應用價(jià)值。

1 天線(xiàn)結構與設計

天線(xiàn)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(kāi)關(guān)控制電路示意圖如圖1所示。

圖1 天線(xiàn)結構及開(kāi)關(guān)電路示意圖

通常的天線(xiàn)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，對高頻信號短路；L1、L2為電感，對高頻信號開(kāi)路。二極管和電容通過(guò)通孔與底面的天線(xiàn)連接。該天線(xiàn)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(gè)微帶結構通過(guò)RF-PIN開(kāi)關(guān)與電路板地相連，中間的微帶為饋線(xiàn)，并通過(guò)同軸電纜直接饋電。微帶天線(xiàn)的諧振頻率主要取決于微帶線(xiàn)的長(cháng)度，在一般情況下，在介電常數為εeff的基片上，微帶線(xiàn)的波導波長(cháng)約為：

圖2 兩種模式下天線(xiàn)S11曲線(xiàn)

由于兩種工作狀態(tài)下，天線(xiàn)的接地端不同，因此，天線(xiàn)的有效輻射部分也有所不同。當處于X模式時(shí)，天線(xiàn)結構中垂直部分的微帶線(xiàn)接地，因此，天線(xiàn)的輻射部分應該為水平部分的微帶，天線(xiàn)也相應工作在水平極化方式。圖3所示為天線(xiàn)在2．44 GHz時(shí)的射頻電流分布圖。