在本文中，一款超寬帶頻率可重構介質諧振天線（FR-DRA）被提出并討論。這個天線能夠在4.15GHz~8.25GHz實現兩個不同頻段的切換。本文提出的DRA介電常數為10.2，由一段“U”型微帶線饋電，并且在饋電網絡的一支裝有一個p-i-n二極管來實現“開”和“關”的兩種狀態，從而實現了兩個不同頻段的轉換。與此同時，在兩種工作頻段下也有很好的匹配。該天線整體的尺寸大小是40x40x1.58mm3。結果表明FR-DRA可以提供兩種不同工作頻率的轉換，并且它們的阻抗帶寬分別是35%和20%。
一、引言
介質諧振天線是目前天線研究的一個熱門方向，其具有許多傳統天線所不具備的優點，比如低損耗、寬頻帶、高增益、低成本等[1]。在毫米波至太赫茲頻段，金屬的趨膚效應會變的非常顯著，因此，金屬天線的效率會大幅降低。相反，介質天線幾乎完全由介質構成，不受趨膚效應的影響，因此，介質天線在毫米波及太赫茲波段具有更大的應用價值[2-3]。
另外，在無線領域的需求量增加，導致天線在降低成本的同時又要提高自身的性能，這種種的苛刻條件使得天線設計者們開始研發多功能的天線，而最近可重構天線受到了極大的關注，因為這一類天線自身有改變系統需求的能力或者能夠自動地適應不同的環境條件。可重構天線也是多種多樣的，無論窄帶或寬帶，都可以工作在某目標頻段。當然還有許多優點，比如可重構能力、多功能性、小型化、低成本等。這些優點可以有機的結合到無線系統當中[4-5]。盡管傳統的金屬天線也存在可重構的方法，但是對于DRA來說很少有頻率是可重構的。在現有的一些文獻中，他們運用了不同的方法來實現頻率可重構[6-8]。比如一些頻率可重構的DRA是通過在地板和DRA之間增加空氣帶隙來改變頻率，還有一些通過在饋電網絡上增加開關的方法來改變工作頻率，更特殊的還有通過改變水面的高度來改變介質塊的高度，從而實現了頻率的可調。基于現有的文獻，還沒有一個頻率可重構的天線可以實現從一個寬帶到另一個寬帶的轉變。
在本文的設計中，超寬帶頻率可重構介質諧振天線被提出和研究，一個二極管開關加載在“U”型微帶線的一邊，來實現兩種工作頻段的轉換。在設計中利用HFSS（High Frequency Structure Simulator）軟件對天線進行仿真，為了能夠實現所需功能，對天線結構尺寸進行了仿真優化比較，并在文中給出了天線反射系數、方向圖，增益等結果圖，然后結合仿真結果進行分析總結。
二、天線結構設計
在本文中提出的FR-DRA的結構如圖1所示。
(a)、天線模型俯視圖和側視圖
(b)、天線各個參數尺寸和位置
圖1、天線模型結構
該天線是由一塊矩形介質諧振器，一段“U”型的微帶線饋線和一塊Taconic材料的介質板組成，其中介質板的尺寸是40x40x1.58mm3。DRA的材料是Rogers6010，介電常數是10.2，高度是3mm，在“U”型饋線的一邊裝有一個二極管開關。表一中列出了該天線優化后最理想的一組參數。
二極管仿真模型如圖1中“U”型饋線上的灰色小方塊所示。p-i-n二極管型號為BAR64-02V，通過直流偏置網絡控制二極管在開與關兩種狀態下切換，根據p-i-n二極管的datasheet，在這兩種狀態(導通與截止)下其等效電路模型如圖2所示。
圖2、二極管導通與截止時等效電路
三、天線仿真結果
本文提出的介質諧振天線通過利用HFSS的仿真，基于電磁場有限元方法，得到了該天線的反射系數（S11），增益，方向圖等仿真結果圖。天線饋電一端的二極管開關是用來改變工作頻率的。因此，開關的兩種狀態“開” 和 “關”，分別對應了兩種工作模式。當開關處于“開”狀態時，二極管導通，相當于一個2.1Ω的小電阻；當開關處于“關”狀態時，二極管截止，相當于一個3kΩ電阻與0.17pF的小電容的并聯。為了在仿真中便于操作，二極管被一塊銅片所代替。當銅片連接時，就表明此時開關處于“開”的狀態；當銅片沒有連接時，就相當于開關處于“關”的狀態。環形的底板結構使得天線的帶寬增加了，尤其是在低頻的時候。圖3給出了兩種工作狀態反射系數的結果圖。
圖3、二極管通斷時反射系數
通過圖3我們可以清楚的看出兩種寬頻帶的工作狀態，當開關“開”時，工作頻率是由4.10GHz~4.61GHz和5.83GHz~ 6.42GHz，阻抗帶寬為21%，在這個頻段內的應用很多，可以用于無限城域網；當開關“關”時，工作頻率是由8.16~8.68GHz，在這個頻段內的阻抗帶寬為6%左右，在這個頻段可以用于X波段衛星通訊。
在DRA上加入金屬貼片同樣也可以達到展寬帶寬的目的。圖4是加入金屬貼片后的側視圖。
圖4、天線模型俯視圖和側視圖
通過圖5可以得到在加入金屬貼片之后，該天線的阻抗帶寬有了一個明顯的提高。在二極管處于接通狀態時，工作頻率是4.15GHz~5.80GHz，阻抗帶寬是35%；在二極管處于斷開狀態時，工作頻率是6.85GHz~8.25GHz，阻抗帶寬是20%，從而形成了超寬帶天線。
圖5、二極管通斷時反射系數
在圖6中分別給出了兩個工作狀態，三個諧振頻率的E面和H面的輻射方向圖，其中4.37GHz和5.45GHz是開關“開”的時候的諧振頻率，而7.39GHz則是開關“關”的時候的諧振頻率。
(a)、4.37GHz E面和H面方向圖
(b)、5.45GHz E面和H面方向圖
(c)、7.39GHz E面和H面方向圖
圖6、三種頻率下yz平面(E面)和xz平面(H面)方向圖
根據圖6得出，在二極管導通的時候，H面的方向圖幾乎是全向的。而在二極管截止的時候，E面和H面的方向圖看起來都有一些殘缺，這是由于頻率升高，不對稱結構和電流分布的不平衡所引起的，與此同時，在該工作模式下天線是線極化的。
四、總結
本文提出了一款超寬帶頻率可重構矩形介質諧振天線，該天線可以工作在兩個帶寬較寬的頻段內。該DRA放置在一個40x40x1.58mm3尺寸的介質基板上，并且利用一邊帶有二極管開關的“U”型微帶線進行饋電，二極管的通斷決定了該天線的兩種工作頻率，可以在4.12GHz~8.85GHz之間進行調節。這樣的天線可以應用在無線城域網和X波段的衛星通訊等方面。
本文轉載自微波射頻網，作者：西安電子科技大學 胡勁涵 周俊娜
參考文獻
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