2华北理工大学公共卫生学院 河北 唐山 063210
摘要：提出了一种基于可重构馈线的频率捷变多输入多输出（MIMO）贴片天线，所提出的天线结构有两个六角形贴片天线。在地面上包括一六角形的缺陷地面结构，使设计紧凑，改善天线单元间的隔离。通过反应加载，进一步实现了紧凑性。在微带馈线中采用变容二极管实现频率可重构性。所提出的天线实现了从1.42GHz到2.27GHz宽调谐范围的频率可重构频带，具有良好的增益和效率。此外，LES的包络相关系数值 达到了0.2dB以上，最小隔离度为12dB，显示出良好的MIMO性能。该天线采用平面低轮廓设计，体积小，尺寸为100?×?50?mm2。因此，该天线设计的频率敏捷性、宽范围调谐、紧凑性和平面结构使其适合于现代无线手持设备，特别是在认知无线电应用中。
介绍
在过去的二十年里无线通信的迅速发展使得频谱严重拥堵，为了提高频谱利用率，频率可重构天线得到了广泛的关注。频率可重构天线可以根据频谱可达性和系统需求调整频率，灵活地利用频谱。频率可重构天线由于降低了扩频信号的带宽而有着广泛的应用。这是因为无线系统不需要它们即时覆盖所有频率，这样既增强了天线的性能又不影响其大小。频率可重构天线也被用于认知无线电系统的前端设计。贴片天线由于其低剖面结构、低成本、制作简单、集成机制简单等优点，已被广泛应用于多种频率可重构天线的基础结构中。在这些天线中，采用变容二极管实现了频率捷变，密码二极管或微机电系统（MEMS）开关作为可调元件。本文介绍了一种尺寸为38?×?38?mm2的方形贴片天线，覆盖双频（2.22-2.26?GHz和3.24-4.35?GHz）。报道了一种由两个方形贴片组成的堆叠式贴片天线，覆盖两个频带（1.68~1.93?GHz和2.11-2.51?GHz）。它采用大小为82?×?82?mm2的贴片元件。采用PIN二极管进行频率重构的贴片设计具有明显的工作频带。据现有已知，在1.4~2.3GHz的频率范围内，还没有出现基于可重构馈线的频率可调谐贴片天线。因此，这项工作的目标是 利用变容二极管研制一种具有可重构馈线的紧凑频率捷变贴片天线。多输入多输出（MIMO）天线以更好的资源利用率满足现代无线应用的高数据速率要求。频率捷变MIMO天线可以结合频率捷变天线和MIMO天线的特性。
本文提出了一种适用于前端CR应用的灵活的基于微带馈线的频率可重构MIMO天线。该天线系统由两个六角形贴片天线单元和地面平面上的六角形缺陷接地结构（DGS）组成。DGS被纳入了减小尺寸和改善隔离度的设计中。将变容器应用于微带馈电，实现了频率可重构性。天线设计的可调谐范围从1.42到2.27?GHz，?6dB带宽至少为75?MHz，可以覆盖许多著名的无线应用，如GSM、LTE、PCS、UMTS和WIMAX等。据作者所知，这是具有可重构馈线的第一频率可重构MIMO贴片天线，其总设计尺寸为100?×?50?mm2，可容纳两个贴片。天线单元的隔离度大于12?dB。
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天线几何
采用六角形贴片天线单元实现了MIMO系统，提高了信道容量，提高了传输速率。一个MIMO天线系统是由两个贴片六角形天线元件设计的，如图1所示。该天线的总尺寸为100?×?50?mm2，设计在低成本1.5?mm厚衬底（FR4）上，εr（相对介电常数）为4.4，tanδ（损耗切线）为0.0 2。所提出的MIMO天线具有频率可重新配置的频带，即1.4到2.3GHz。该MIMO天线结构由两个相同的六角形贴片天线元件（蚂蚁1和蚂蚁2）、地面上的DGS（六角形）和一个可重构的微带馈线组成。由变容二极管组成，用于频率重构。
为了解释所提出的天线的设计过程，描述了单个元件的配置。设计过程基于六边形贴片天线元件。在天线的地面上可以使用DGS来提高带宽，减小天线尺寸，改善天线单元间的相互耦合。在HFSS中进行参数扫描分析，了解天线尺寸对天线性能的影响。参数研究是一次对一个参数进行研究，同时保持其余参数不变。参数化研究提供了重要的设计指导，得到了各参数的优化尺寸。此外，参数分析有助于我们在设计中正确放置变容器。为了在不影响尺寸的情况下降低谐振频率，在地面上进行了反应加载，并加入了六角形（DGS）。反应负载和DGS将谐振频率从3.32降低到2.5GHz。对DGS结构进行了优化，优化了内外槽线的宽度以及两个环之间的距离。通过将谐振频带改变为更低的频带，优化的DGS槽最小化了天线尺寸。变容二极管（通过R1和L1）连接到可变电源电压。同轴电缆是用来提供直流接地，它有相同的地面使用SMA连接器。同轴电缆直流被电感L2阻塞。集总元素的值为L1=L2=1μH，C1=C2=1NF，R1=1kΩ。
由于两个天线的类似结构，我们从两个端口获得了类似的结果。因此，所给出的结果足以给出共振频带的全貌。设计的频带范围为1.42~2.27?GHz，每个频带的?6dB带宽为75?MHz。通过对变容管施加0~5V的反向偏压，实现了谐振频率的平稳变化。这些电压与变容管在35~2.5pF之间的电容值有关。测量的工作频段为1.45~2.29GHz，带宽为65MHz。测量结果与仿真结果吻合较好。频率上的微小差异可能是由于几个原因造成的。
结论
提出了一种宽频率调谐能力（1.4~2.3GHz）的新型微带馈线频率捷变MIMO天线。天线结构由两个六角形贴片单元组成，在地面上有DGS，用于增强天线的紧凑性和隔震性。采用基于变容二极管的微带馈线来获得频率可重构性.该天线结构体积小（100?×?50?mm2），具有良好的增益、效率、ECC和隔离性能。
参考文献：
[1]可重构的无线和空间应用天线。PROCIEEE.2012年；
[2]米托拉J.认知无线电建筑的演变。PROC IEEE.2009年；
[3]一种带有变容器加载槽的贴片天线，用于可重构的双频操作。PROC IEEE.2015年
论文作者:1张倩僖,2孙倩,2李超然
论文发表刊物:《文化时代》2019年19期
论文发表时间:2020/3/18
标签：天线论文; 频率论文; 重构论文; 贴片论文; 频带论文; 微带论文; 结构论文; 《文化时代》2019年19期论文;