梁嬋君，項鐵銘，官伯然

（杭州電子科技大學天線與微波技術研究所，浙江杭州310018）

0 引 言

隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，為實現(xiàn)通信、導航、制導等目的，各種發(fā)射、接收天線大量在同一平臺上安裝的情形越來越多。這樣，一個平臺上面的負載越來越大且電磁兼容問題成為首要問題。如何用一個天線實現(xiàn)多個天線的功能，成為首要研究的問題［1］。可重構天線有多個功能的天線，它可以在不改變整個天線尺寸的情況下，通過改變天線輻射單元的結構和位置，來實時地改變天線的工作頻率、極化方向和輻射方向等［2、3］。而且可重構天線提高了各個頻段間的隔離度，減少了串擾；同時每次工作在小的帶寬內，使容量減小，提高效率。目前，頻率可重構天線已成為可重構天線研究的熱點和重點。

1 小型化頻率可重構微帶天線的設計

由于平面曲折結構緊湊，本文采用該結構來實現(xiàn)天線的小型化。平面曲折結構的小型化微帶縫隙天線結構圖如圖1所示。

圖1 平面結構的小型化微帶縫隙天線結構圖

圖 1 中，天線板材選用 Taconic TLX-8，其中介電常數(shù)為2.55，厚度為0.76mm，tanδ=0.001 9。天線的尺寸是100mm×60mm×0.76mm。天線由直輻射縫隙和兩個結構對稱、繞向相反的平面“S”縫隙組成。直輻射縫隙長90mm，寬2mm。兩個平面曲折縫隙上的等效磁流遠區(qū)輻射場部分抵消，輻射效率很低，它的縫隙寬度是0.9mm。微帶饋線特性阻抗為50Ω，饋線中心和輻射縫隙中心相距39.5 mm，天線輻射縫隙至開路端饋線的長度為27.1mm，采用折線結構使天線更加緊湊。

天線諧振頻率為900 MHz，直輻射縫隙長度90 mm，約為1/4諧振波長。而在諧振頻率為900 MHz的標準直縫隙微帶縫隙天線中輻射縫隙長度為150.4mm?？梢姡捎闷矫媲劢Y構可以明顯降低天線輻射縫隙的長度，減小天線尺寸。

2 多頻段小型化天線的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)天線工作頻率的可重構，使用MEMS開關來改變天線的諧振頻率，使天線工作在多個頻段上［2、4、5］。文獻2設計制作了多頻段的可重構天線，當各個貼片之間的開關全部斷開時，用于X波段；而當開關全部閉合時，用于L波段。而這些天線都是直接在輻射縫隙上加載開關器件，天線的頻率的電調特性對開關器件的特性非常敏感［6］。

本文在圖1所示天線的曲折縫隙上對稱跨接6只MEMS開關，改變MEMS開關的狀態(tài)能夠達到調整天線工作頻率的目的，并且這種非主輻射縫隙上的加載方式明顯降低了天線的頻率電調特性對開關器件特性的強烈依賴。MEMS開關導通或截止時，曲折縫隙仍為非主輻射縫隙，同時輻射方向圖基本保持一致。MEMS開關組的每一個狀態(tài)都是改變微帶天線的有效長度，不同的等效長度對應于不同的諧振頻率。

本文的設計中選擇懸臂接觸式MEMS開關［7、8］，因為這種開關結構適合工作于射頻的較低頻段，而且具有很小的插入損耗。本文使用電磁場仿真軟件Ansoft HFSS 10對懸臂接觸式MEMS開關進行了建模仿真，開關結構如圖2所示。仿真優(yōu)化后確定的MEMS開關尺寸參數(shù)為信號線寬度w=0.1mm，信號線間隙 s=0.1mm，氣隙高度為 g=7.5μm，開關整體尺寸為 0.9mm×0.3mm×0.02mm。

懸臂式MEMS開關的結構圖如圖2所示，開關閉合時的結構，如圖2（a）所示；開關斷開結構，如圖2（b）所示；開關俯視圖，如圖2（c）所示；開關在軟件中的仿真結構如圖2（d）所示。

圖2 懸臂式MEMS開關結構圖

開關導通狀態(tài)下接觸式MEMS開關插入損耗的電磁仿真結果，如圖3（a）所示；開關反射損耗的電磁仿真結果，如圖3（b）所示；開關關閉狀態(tài)下，開關的插入損耗，如圖3（c）所示?？梢钥闯?，在800-2 000MHz內，導通狀態(tài)下，MEMS開關的插入損耗小于0.017 dB，反射損耗均在-35 dB以下；斷開狀態(tài)下，MEMS開關的插入損耗小于-43 dB。

仿真結果表明，本文設計采用的懸臂接觸式MEMS開關具有良好的傳輸特性，隔離度和插入損耗的仿真結果十分理想。

為實現(xiàn)頻率可重構，本文在天線上對稱地添加了3對MEMS開關，圖1中開關的各種狀態(tài)如表1所示。在圖1中標注了開關組1，2，3的具體位置，當開關斷開時記為0，閉合時記為1。

表1 MEMS開關的狀態(tài)

圖3 MEMS開關參數(shù)值

利用IE3D 10電磁仿真軟件對圖1中天線的各種狀態(tài)進行了仿真。MEMS開關組在不同狀態(tài)下天線S11曲線，如圖4所示。

圖4 在不同諧振頻率下可重構天線的回波損耗S11

圖4中，微帶天線在GSM 900 MHz頻段，帶寬80 MHz（840-920 MHz）；微帶天線在GPS頻段，帶寬50 MHz（1 530-1 580 MHz）；微帶天線在DCS 1 800的反射損耗，DCS 1 800 MHz頻段90 MHz（1 770-1 860 MHz）；微帶天線在PCS 1 900頻段，帶寬120 MHz（1 850-1 970 MHz）。

IE3D電磁仿真軟件對天線的方向圖特性也進行了仿真天線在900MHz，1 580MHz，1 800MHz，1 900 MHz上的E面、H面增益方向圖，如圖5所示，基本保持不變。天線增益分別是2.64 dBi，2.64 dBi，2.99 dBi，2.18 dBi。

3 結束語

本文采用平面曲折結構，實現(xiàn)了微帶縫隙天線小型化，天線結構更加緊湊。并在平面曲折結構加載MEMS開關，通過直流偏置電壓來控制天線的諧振長度，進而實現(xiàn)天線工作頻率在GSM和GPS頻段上可調，由于采用曲折結構，實現(xiàn)天線的小型化，比直縫隙減小了40%。

圖5 各頻段的輻射方向圖

［1］ 楊雪松，王秉中.可重構天線的研究進展［J］.系統(tǒng)工程與電子技術，2003，25（4）：417-419.

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