紧凑型多频带频率可重构平面天线设计与应用

× × ××可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报1（2014）17用于多种无线通信应用的紧凑型多频带频率可重构平面M. Abou Al-Alaa， H.A.Elsadek，E.A.Abdallah微带部，电子研究所，El-Tahrir St，Dokki，吉萨，埃及2014年3月24日在线提供摘要提出了一种紧凑型可重构多频段微带天线为了实现频率可重构性，使用PIN二极管开关有两种状态状态1：当开关断开时，天线工作在四个频段：2.45、3、3.69和5.5 GHz，阻抗带宽分别为9.95、5.96、12.57和10.76%。状态2：当开关接通时，天线工作在2.64、3.67、4.94和5.3 GHz，阻抗带宽分别为21.15、11.76、5.79和4.12%折叠和曲折的技术被用于简化天线尺寸。天线尺寸为15 mm 37 mm 0.8 mm，辐射器部分为15 mm 9 mm 0.8 mm。所提出的天线用于多种应用中，例如蓝牙（2400-41和频带43）和S-DMB（2605使用CST微波工作室的瞬态解算器分析天线所提出的天线制造和测试。测量和模拟显示良好的协议。© 2014制作和主办由Elsevier B.V.电子研究所（ERI）关键词：频率可重构; PIN二极管; MEMS开关; LTE;回波损耗;辐射方向图1. 介绍可重构天线在过去十年中受到越来越多的关注，因为它们具有潜在的以改善无线通信系统的性能。已经报道了关于诸如频率、极化或方向图可重构天线的可重构天线的若干设计（Daheshpour等人，2010年;Majid 例如，2013年;Yang等人，2012;Korosec等人，2006;Qin等人， 2012年）。本文介绍了一种频率可重构天线。在所提出的天线中，PIN二极管和MEMS开关用于制造的原型中，并且它们的等效电路用于仿真模型（CST Microwave Studio）中，如PIN和MEMS开关的说明书（Radant-Datasheet;HPND-4005）中所述。第2节说明了天线的结构和天线的不同参数的值。第3节讨论了回波损耗、辐射特性等天线结果。第四部分是本文的结论。*通讯作者。电子邮件地址：m. hotmail.com（M.A. Al-Alaa）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2014.03.0082314-7172/© 2014由Elsevier B. V.制作和托管电子研究所（ERI）18M.A. Al-Alaa等人/电气系统与信息技术学报1（2014）17Fig. 1. PIN二极管的等效电路：（a）正向偏置;（b）反向偏置。图二. 天线结构。M.A. Al-Alaa等人/电气系统与信息技术学报1（2014）1719表1天线参数。参数数值（mm）参数数值（mm）L40W15L111.1W11L29W22L38W31L46W41L57.5W51Lg30G0.3S2.4D0.9Lm8.8图三.两种状态下天线回波损耗的仿真和实测结果。20M.A. Al-Alaa等人/电气系统与信息技术学报1（2014）17表2仿真了天线的谐振频率、带宽、增益和辐射效率等性能开关1状态频率（GHz）10 dB带宽（%）增益（dBi）辐射效率（%）关闭2.459.952.218735.962.7285.113.6912.573.1187.15.510.762.7775.86对2.6421.152.38883.6711.763.0984.144.945.793.6160.35.34.123.4963见图4。2.45 GHz时的辐射图。M.A. Al-Alaa等人/电气系统与信息技术学报1（2014）17212. RF PIN二极管和MEMS开关偏置电路在这项研究中，HPND-4005二极管被用作开关元件。根据HPND-4005PIN二极管的设计，正向偏置时的电阻元件相当于4.7▲，而反向偏置时的主电容元件为0.017 pF。CST仿真是基于这些等效集总元件。这种二极管类型的选择是基于其高频覆盖特性（高达12 GHz）。然而，二极管材料是易碎的，其承受低功率并且其尺寸对于可用的基本焊接设施来说太小。图 1显示PIN二极管的等效电路。RF PIN二极管需要1 V正向电压（二极管导通）和0 V二极管关断。偏置T形叠加RF信号和DC电压，其中RF信号需要用于天线馈电，DC需要用于偏置PIN二极管。RMSW 101 Radant MEMS开关用于取代同一天线中的RF PIN二极管。所使用的MEMS开关类型由使用全金属制造的悬臂组成，通过在栅极和源极之间施加电压来偏转悬臂，从而产生静电力，该静电力进而拉动悬臂的自由端与漏极接触。因此，在漏极和源极之间完成了电路径。MEMS驱动需要约95 V DC电压，因此使用RMDR 1000可重新配置8通道驱动器（Radant-DatasheetRMDR 1000）从5 V DC升级到95 V DC。图五. 5.5 GHz时的辐射图，OFF状态。22M.A. Al-Alaa等人/电气系统与信息技术学报1（2014）17见图6。2.64 GHz时的辐射图，OFF状态。3. 天线几何结构图图2a和图2b示出了天线几何形状。该天线由印刷在介电常数为4.5、厚度为0.8mm的FR4基片上的准U形贴片与曲折线连接而成在接地面上印刷准U形的L形延伸，以通过贴片层和接地面之间的通孔构造折叠形状。天线馈电采用插入式微带线馈电。折叠和曲折技术用于增加电流路径，并且它们因此降低谐振频率。图2（d和e）示出了具有PIN二极管和MEMS开关的所制造的天线的原型。表1示出了天线参数的值。4. 天线结果4.1. 回波损耗模拟和测量回波损耗结果如图3所示。当开关处于关断状态时，天线工作在四个谐振频率2.45、3、3.69和5.5 GHz。第一个工作频段，2.45 GHzM.A. Al-Alaa等人/电气系统与信息技术学报1（2014）1723×见图7。在5.3 GHz，ON状态下的辐射图。由贴片表面的准U形线和地面中的L形线的总长度决定（L1+L2+2L3+L4）。在3GHz处的第二操作频带由曲折线的长度产生。第三个工作频带为3.69GHz，是由贴片侧和接地侧的L3耦合引起的。第四个工作频带为5.5GHz，是L5与准U型线耦合的结果.当开关处于ON状态时，天线分别工作在2.64、3.67、4.94和5.3 GHz频段在导通状态下，曲折线连接到准U形线;因此，第一和第二频带交错以在谐振频率为2.64 GHz处形成带宽为21.15%的大频带，而第三工作频率（3.69 GHz）仍然不变。最高频带减小。 谐振频率、增益和辐射效率总结在表2中。4.2. 辐射图案在关断状态下，在两个不同频率（F = 2.45 GHz和F = 5.5 GHz）下的辐射图的极坐标形状分别在图2A和图2B中示出，在每个频率XY平面（θ = 90）、XZ平面（θ= 0）和YZ平面（θ= 90）下。 4和5.在ON状态下，在2.64 GHz和5.3 GHz的辐射图如图1A和1B所示。分别为6和7。24M.A. Al-Alaa等人/电气系统与信息技术学报1（2014）17表3天线表面电流分布（OFF和ON状态）。频率（GHz）表面电流分布（OFF状态）频率（GHz）表面电流分布（ON状态）2.452.64三个三点六七3.69 4.945.5 5.34.3. 表面电流分布表3示出了对于开关1的不同两种情况（关断和接通状态）在四个谐振频率下的电流分布从表3中观察到以下情况4.3.1. 处于关闭状态•F1（2.45 GHz）由于折叠形状的总长度而引入。•F2（3GHz），由于寄生曲折线的引入.• 由于（L2+L3和L3+L4）之间的耦合而引入F3•F4（5.5 GHz）由于（L2+L3）的长度而引入。4.3.2. 在ON状态下（当寄生曲折线直接连接•F1和F2的频带是交错的，并产生宽带（F5= 2.64 GHz）。• 在F6= 4.9GHz处，由于准U形线与弯曲线之间的耦合，产生了新的谐振M.A. Al-Alaa等人/电气系统与信息技术学报1（2014）1725•F4频段降为F7= 5.3GHz。F3保持不变。5. 结论提出了一种频率可重构微带天线该天线在多频带下工作，以支持多种无线通信系统，例如蓝牙、WLAN、Wi-MAX、LTE和S-DMB。天线平均增益为2.92 dBi。为了简化天线尺寸，使用折叠和曲折技术采用RF HP-4005 PIN二极管开关实现频率可重构该天线用少量开关提供有用的频率和极化确认这项研究工作是在埃及通信和信息技术部国家电信管理局（NTRA）资助的项目下完成的。引用Daheshpour，K.，Mazlouman，S.J.，Mahanfar，A.，Yun，J.X.，汉，X.，梅农角，Carpi，F.，沃恩，R.G.，2010. 基于介质弹性体驱动移动V形寄生单元的P型可重构天线. 电子通讯46（June（13））.Majid，H.A.，Abdul Rahim，M.K.，哈米德，M.R.，Murad，N.A.，Ismail，M.F.，2013. 频率可重构微带贴片缝隙天线。IEEEIEEE802.11无线协议Lett. 12，218-220.杨，X.，邵，B.，杨，F.，Elsherbeni，A.Z.，贡湾，加-地2012. 一种在接地面上具有环形缝隙的极化可重构贴片天线。IEEEIEEE802.11无线协议Lett. 11，69-72。Korosec，T.，Ritosa，P.，Vidma，M.，2006年。 具有频率和极化灵活性的可变电容调谐微带贴片天线。电子学。Lett. 42（Aug（18）），1015-1016.Qin，P.，Guo，Y.J.，Weily，A.R.，Liang，C.，中国地质大学，2012. 一种P型可重构U形槽天线及其在MIMO系统中的应用。IEEEIEEE802.11无线协议Lett. 60（Feb（2）），516-528.http://www.radantmems.com/radantmems.data/Library/Radant-Datasheet1012.0.pdfHPND-4005，Avago Technologies。http://www.avagotech.com/docs/AV01-0593ENhttp://www.radantmems.com/radantmems.data/library/Radant-DatasheetRMDR10001.3.pdf.Via