韓國(guó)瑞， 白　霞， 韓麗萍， 陳新偉

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

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基于MEMS開(kāi)關(guān)雙頻微帶縫隙天線的設(shè)計(jì)

韓國(guó)瑞， 白霞， 韓麗萍， 陳新偉

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院， 山西 太原 030006)

摘要:本文設(shè)計(jì)了一種基于MEMS開(kāi)關(guān)的快速切換頻率的雙頻微帶縫隙天線. 通過(guò)MEMS開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)改變縫隙的尺寸， 從而改變電流分布， 實(shí)現(xiàn)天線諧振頻率在2.4 GHz和5.8 GHz之間的快速切換. 分析了MEMS開(kāi)關(guān)狀態(tài)與天線諧振頻率之間的關(guān)系. 仿真結(jié)果顯示， 當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)， 微帶縫隙天線的頻率為2.4 GHz， 回波損耗達(dá)到-27 dB； 當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)， 微帶天線工作頻率切換到5.8 GHz， 回波損耗達(dá)到-23 dB， 并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真結(jié)果.

關(guān)鍵詞:雙頻； MEMS開(kāi)關(guān)； 微帶縫隙天線

利用微帶天線的輻射特性來(lái)制造微波天線的概念由G.A.Deschamps 教授在1953年提出， 但在此后的二十多年里都只有零星的一些研究[1]. 直到1972年， 隨著微波集成技術(shù)的迅猛發(fā)展， 微帶天線的理論開(kāi)始不斷成熟， 各種關(guān)于微帶天線研究的論文才層出不窮， 微帶天線成為天線家族不可或缺的一份子. 對(duì)于雙頻天線的研究， 近幾年才得到快速的發(fā)展， 現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于生活、 醫(yī)療、 軍事等方面. 人們?yōu)榇颂岢隽瞬煌脑O(shè)計(jì)方案. 第一種是將多頻帶天線分別覆蓋每個(gè)頻帶， 第二種是用寬帶天線覆蓋整個(gè)頻帶， 第三種是利用一個(gè)窄的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)來(lái)改變諧振以實(shí)現(xiàn)微帶天線雙頻或多頻工作. 然而， 多頻天線的研究也存在著許多問(wèn)題， 其中最典型的一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)所需頻段離得較遠(yuǎn)時(shí)， 多頻天線在不同的諧振頻率上達(dá)到阻抗匹配相當(dāng)困難. 因此， 在設(shè)計(jì)雙頻天線時(shí)需要在不同頻段折中， 既保證一種天線模式的性能， 也應(yīng)同時(shí)優(yōu)化其他模式的參數(shù)， 使得兩個(gè)天線模式相關(guān)聯(lián)的物理參數(shù)得到共同的優(yōu)化.

國(guó)內(nèi)外期刊有許多關(guān)于雙頻多頻天線的文章， 文獻(xiàn)[2,3]中利用MEMS開(kāi)關(guān)改變天線縫隙尺寸實(shí)現(xiàn)雙頻. 而文獻(xiàn)[4]里利用MEMS開(kāi)關(guān)來(lái)改變像素貼片天線. 文獻(xiàn)[5]則提出了一種新型的單層具有高頻比的微帶貼片天線. 文獻(xiàn)[6]里提出了一種應(yīng)用于基站通信系統(tǒng)的雙頻單向天線. 通過(guò)采用雙層交叉MEMS的偶極子結(jié)構(gòu)， 滿足了阻抗帶寬較寬、 增益高、 交差極化低等性能要求.

為了滿足現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用對(duì)微帶雙頻天線的需求， 本文設(shè)計(jì)了一種快速切換頻率的雙頻微帶縫隙天線. 這種設(shè)計(jì)采用的是雙層單饋電的結(jié)構(gòu)， 利用MEMS開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)改變縫隙的尺寸， 使得電流的分布改變， 實(shí)現(xiàn)頻率在2.4 GHz和5.8 GHz間快速切換. 同時(shí)， 對(duì)MEMS開(kāi)關(guān)的狀態(tài)與諧振頻率、 回波損耗之間的關(guān)系進(jìn)行了分析.

1天線的設(shè)計(jì)

1.1微帶縫隙天線的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的微帶縫隙天線包括三層金屬板和兩層介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)板， 如圖 1(a) 所示. 其中， 兩層介質(zhì)板尺寸相同， 大小同為50 mm×50 mm， 厚度為0.8 mm. 圖 1(b) 為天線的頂層金屬板,在上面蝕刻出一條蛇形縫隙， 可向外輻射電磁波. 該縫隙的寬度為k=1 mm， 分布在a=12.6 mm，b=11 mm 的區(qū)域中. 一條50 Ω的微帶線被置于兩層介質(zhì)之間， 寬度c=1.4 mm， 長(zhǎng)l=36 mm. 微帶線的一端為頂層的縫隙天線饋電， 另一端通過(guò)過(guò)孔與MEMS接頭的同軸探針相連. 為消除平行板波導(dǎo)的激勵(lì)， 在同軸探針周圍開(kāi)了4個(gè)通孔， 將底層金屬板與頂層金屬板相連， 使得底層金屬板作為縫隙天線的反射板， 用來(lái)抑制天線的背向輻射， 過(guò)孔間隔g=3 mm. 另外， 在彎曲的縫隙四周， 還設(shè)置了一圈連接頂層和底層金屬板的過(guò)孔， 縫隙周圍的過(guò)孔間距也為3 mm， 用以減少輻射到介質(zhì)中的電磁波， 降低天線介質(zhì)損耗[7].

圖 1　微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Configuration of slot antenna

1.2頻率切換的實(shí)現(xiàn)方法

圖 2　加MEMS開(kāi)關(guān)的微帶縫隙天線Fig.2　Slot antenna with MEMS switches

通常情況下， 天線的幾何尺寸決定天線的諧振頻率. 因此， 可利用RF開(kāi)關(guān)改變縫隙的尺寸， 如PIN二極管或MEMS開(kāi)關(guān)， 通過(guò)接通開(kāi)關(guān)和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的操作改變天線的電流分布， 從而得到所需的諧振模式. 為了激勵(lì)各種諧振模式， 在縫隙內(nèi)需要設(shè)置多個(gè)開(kāi)關(guān). MEMS開(kāi)關(guān)具有良好的射頻特性如低的插入損耗， 良好的線性度， 良好的阻抗匹配和高隔離[7,8]. 本文中， 我們?cè)O(shè)置兩個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)計(jì)雙頻天線， 通過(guò)開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的快速切換.

如圖 2 所示， 以頂層金屬的中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系， 在縫隙內(nèi)設(shè)置MEMS開(kāi)關(guān). 閉合開(kāi)關(guān)， 可以使天線的縫隙變短， 在縫隙周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較短路徑的電流， 從而在較高頻率處產(chǎn)生諧振， 天線的工作頻率就被切換到了高頻段. 同時(shí)， MEMS開(kāi)關(guān)放置在微帶天線縫隙的不同位置也會(huì)影響天線的性能. 通過(guò)優(yōu)化分析， 將兩個(gè)大小為1 mm×2 mm的開(kāi)關(guān)x1分別放在位置為(1，-1.5)， (-8，-9)時(shí)， 可以使縫隙天線的參數(shù)匹配， 使天線可以在2.4 GHz和5.8 GHz兩個(gè)頻率之間切換， 但由于MEMS開(kāi)關(guān)放置的不對(duì)稱性， 導(dǎo)致天線周圍激勵(lì)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布不均勻.

1.3縫隙天線的仿真結(jié)果

運(yùn)用HFSS仿真軟件求解分析， 我們可以得到天線的仿真結(jié)果如圖 3～圖 6 所示. 當(dāng)縫隙天線的MEMS開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)， 得到S參數(shù)的仿真結(jié)果如圖 3 所示. 由圖 3 可知， 當(dāng)MEMS開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)， 其諧振頻率為2.4 GHz， 回波損耗可達(dá)到-27 dB， 其-10 dB帶寬較窄， 為40 MHz. 圖 4 為微帶縫隙天線在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的輻射方向圖， 其交叉極化與主極化相差45 dB. 此時(shí)， 天線的增益為0.42 dBi.

圖 3　開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的S11參數(shù)Fig.3　Simulated S11with MEMS OFF

圖 4　開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)縫隙天線的輻射方向圖Fig.4　The radiation patterns of the slot antenna with MEMS OFF

當(dāng)縫隙天線的MEMS開(kāi)關(guān)閉合時(shí)， 得到的S參數(shù)的仿真結(jié)果如圖 5 所示. 此時(shí)， 微帶縫隙天線的中心頻率5.8 GHz， 其回波損耗達(dá)到-23.2 dB， 帶寬為100 MHz. 圖 6 為微帶縫隙天線在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的輻射方向圖. 可知， 當(dāng)MEMS開(kāi)關(guān)閉合時(shí)， 微帶縫隙天線的背向輻射變小， 與前向輻射相差22.3 dB. 與開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)相比， 閉合時(shí)由于天線周圍激勵(lì)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布不均勻， 天線的交叉極化變大， 與主極化相差12.4 dB. 此時(shí)， 微帶縫隙天線增益為2.5 dBi.

圖 5　開(kāi)關(guān)閉合的S11參數(shù)Fig.5　S11parameters with MEMS ON

圖 6　開(kāi)關(guān)閉合的輻射方向圖Fig.6　The radiation pattern with MEMS ON

2天線加工與測(cè)量

針對(duì)理想MEMS開(kāi)關(guān)情形， 我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)加工與測(cè)量， 如圖 7 所示.

圖 8 所示為開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)， 實(shí)測(cè)的微帶縫隙天線的S11圖. 由圖可知， 天線的諧振頻率為2.3 GHz， 相比于仿真結(jié)果的諧振頻率偏低， 測(cè)量的回波損耗也相比于仿真結(jié)果較低， 下降到-13 dB.

圖 7　縫隙天線實(shí)物圖Fig.7　Photograph of slot antenna

圖 9 所示為開(kāi)關(guān)閉合時(shí)， 微帶縫隙天線頻率切換后的S11圖. 由圖可知， 天線的諧振頻率為5.4 GHz， 其回波損耗下降到-33 dB. 相比較仿真結(jié)果可得， 天線的測(cè)量結(jié)果相對(duì)諧振頻率偏小， 回波損耗卻相對(duì)較高， 這是由于FR4介質(zhì)介電常數(shù)偏差和加工誤差所致.

圖 8　實(shí)測(cè)MEMS斷開(kāi)時(shí)縫隙天線的S11圖Fig.8　Measured S11of the slot antenna with MEMS OFF

圖 9　實(shí)測(cè)MEMS開(kāi)關(guān)閉合時(shí)微帶縫隙天線的S11圖Fig.9　Measured S11of the slot antenna with MEMS ON

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型頻率重構(gòu)的微帶縫隙天線. 通過(guò)改變MEMS開(kāi)關(guān)的通斷以及放置的位置， 使得開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)， 微帶縫隙天線的工作頻率為2.4 GHz， 回波損耗達(dá)到-27 dB； 開(kāi)關(guān)閉合時(shí)， 天線的工作頻率為5.8 GHz， 回波損耗達(dá)到-23 dB. 仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明， 其可應(yīng)用于筆記本電腦、 功能先進(jìn)的終端設(shè)備或使用貼片天線的接入點(diǎn).

參考文獻(xiàn)：

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Design of Dual-Band Microstrip Slot Antenna Based on MEMS Switches

HAN Guorui, BAI Xia, HAN Liping, CHEN Xinwei

(College of Physics & Electronic Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China)

Abstract:In this paper, a fast switchable dual-frequency microstrip slot antennabased on MEMS switch is designed. By loading MEMS switches, the length of the slot and the current paths are changed, thus the operating frequency is changed from 2.4 GHz to 5.8 GHz. The relation between the MEMS switches and the resonance frequency is analyzed. Simulation results show when the switch is OFF, the frequency of the proposed antenna is 2.4 GHz and the return loss reaches -27 dB; when the switch is ON, the frequency is switched to 5.8 GHz and the return loss reaches -23 dB. The correctness of the simulation results is verified by the experimental data.

Key words:dual-frequency; MEMS switch; microstrip slot antenna

中圖分類號(hào):TN823+.24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.01.002

作者簡(jiǎn)介：韓國(guó)瑞(1977-)， 男， 博士， 講師， 主要從事微帶天線以及封閉天線的研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61172045，61271160)； 國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(J1103210)； 山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012011013-3)，2014021021-1，2015011042)

收稿日期:2015-09-25

文章編號(hào):1671-7449(2016)01-0006-04