手持移动终端的可重构天线设计

O 引言

    目前，各种通信系统发展的重要方向之一是大容量、多功能、超宽带。通过提高系统容量、增加系统功能、扩展系统带宽，一方面可以满足日益膨胀的实际需求，另一方面也可以降低系统成本。而天线作为各种无线通信系统的前端，其性能对于通信系统整体功能具有重要的影响，因此也相应的对其提出了诸如多频、宽带、小型化等要求。随着无线通信系统的日益复杂化，单一的传统天线已经不能满足要求。而多天线设计虽然可以满足新一代无线通信系统对天线的高要求，但是，天线数目的增多，会使设备成本、天线的空间布局等问题凸显出来。特别是在手持移动设备上，由于空间有限，使得多天线的设计异常困难。在这种情况下，可重构天线就具有非常明显的优势。它可在不改变天线的尺寸和结构的情况下在天线的方向图、工作频率、极化特性等方面实现重构，从而使一个天线能够实现多个天线的功能，适应移动终端不同的应用环境和要求。

    在天线的方向图可重构方面，目前的研究主要集中在采用八木形式的结构上。即通过开关控制来改变反射器或引向器的有效谐振长度，从而实现反射或者引向作用，使天线的辐射方向发生变化。但是，这种方式需要多个天线。故在手持终端有限的空间下，采用这种方式有很大的困难。另外，在天线极化方式可重构方面，研究的重点也是单贴片的天线，即通过在天线上开槽或者采用多条馈线，并在不同位置安装开关来改变开关的状态从而实现极化方式的变化，但是，这种天线的面积较大，同时采用多条馈线的结构太复杂，都不适用于实际的移动设备。

    本文提出了一种用于手持移动设备的可重构天线．该天线在适当位置安装了RF-PIN开关，可通过直流控制电路控制开关的通断，以使天线以两种正交的线极化方式工作，同时也使天线的方向图发生变化，从而实现极化方式和方向图的重构。该天线结构紧凑，面积小，易于制造，并具有在同一终端安装多个天线来实现MIMO(多输入多输出系统)的潜力，故在移动终端中有良好的应用价值。

1 天线结构与设计

    天线可以与手持设备电路板集成在一起，安装在电路板的左上角，其结构和RF-PIN开关控制电路示意图如图1所示。

 
图1  天线结构及开关电路示意图

    通常的天线版图位于介质基片的底面，控制电路位于基片的顶面，图l中的D1、D2为两个RF-PIN开关；Cl、C2为旁路电容，对高频信号短路；L1、L2为电感，对高频信号开路。二极管和电容通过通孔与底面的天线连接。该天线基片采用厚度为0．8 mm，介电常数为4．4的FR4材料。水平与垂直的两个微带结构通过RF-PIN开关与电路板地相连，中间的微带为馈线，并通过同轴电缆直接馈电。微带天线的谐振频率主要取决于微带线的长度，在一般情况下，在介电常数为εeff的基片上，微带线的波导波长约为：   

 图2  两种模式下天线S11曲线

    由于两种工作状态下，天线的接地端不同，因此，天线的有效辐射部分也有所不同。当处于X模式时，天线结构中垂直部分的微带线接地，因此，天线的辐射部分应该为水平部分的微带，天线也相应工作在水平极化方式。图3所示为天线在2．44 GHz时的射频电流分布图。 
图3  天线在2.44GHZ时的射频电流分布图

    从图3可以看出，射频电流主要集中在天线水平方向的微带线上(这印证了前面的分析)。但同时，在中间部分的微带以及天线其他部分也存在射频电流，因此，天线仍会辐射部分垂直极化波。图4所示为天线的两种极化波在XY及YZ平面的方向图。

    图4中，Theta表示水平极化方波，Phi表示垂直极化波，从图中可以看出，在XY平面上，水平极化波的平均增益比垂直极化波高35 dB以上，而在YZ平面上，水平极化波具有良好的全向性，且平均增益比垂直极化波高约10 dB，因此可以判断，水平极化波能量远大于垂直极化波能量，天线工作在水平极化方式下。

图4  天线在模式X下的两种极化波在XY和YZ平面的方向图

    当处于Y模式下时，天线结构中水平部分的微带线接地，因此，垂直部分的微带线是天线的有效辐射体，此时天线也相应工作在垂直极化方式下。图3(b)所示为模式Y下天线在2．4 GHz的射频电流分布图，从图中可以看出，此时的射频电流主要集中在天线垂直方向的微带线上，天线此时工作在垂直极化方式下。图5所示为该模式下天线两种极化波在XY和YZ平面的方向图。

    从图5中可以看出，在XY平面上，垂直极化波的最大增益比水平极化波高37 dBi，同时在YZ平面上，垂直极化波也有良好的全向性。其最大增益比水平极化波高12 dB，说明在该模式下，天线可良好地辐射垂直极化波，而交叉极化分量很低。

 
图5  天线在模式Y下的两种极化波在XY和YZ平面的方向图

    事实上，在两种工作模式下，天线的总体方向图会发生显著变化。在YZ和XZ两个平面上。天线方向图具有良好的全向性，能尽可能的接受各个方向的来波信号；而在XY平面上，天线在两种状态下的方向图显著不同，最大辐射方向会发生明显改变，并且在这个辐射平面上可以实现良好的互补。故在实际应用中，应根据信号波的方向和强度的不同，来实时改变天线状态，调整方向图的最大辐射方向，以有效地提高天线信号的信噪比，提高通信速率和系统容量。

3 结束语

    本文提出了一种用于手持移动设备的可重构天线的设计方法，该天线安装了两个RF-PIN开关，可通过一个直流控制电路来控制开关的通断，以使天线工作在垂直极化或水平极化方式，同时也使天线方向图发生变化，从而实现极化方式和方向图的同时重构。仿真结果表明，在两种状态下，该天线的-10 dB带宽均可达到240 MHz。而且通过开关状态的切换，还可以使天线在水平和垂直线极化方式之间切换，并使天线辐射方向图的主瓣方向也偏转150°。该天线结构紧凑，面积小，易于制造，可用于移动终端的多天线系统，因此在移动通信系统中有良好的应用价值。