平藝偉， 韓楊露， 陳新偉， 韓麗萍

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

0　引　言

隨著無線通信業(yè)務(wù)需求快速增長， 可用頻譜資源變得越來越稀缺， 頻譜資源的有效利用成為無線通信的一個重要問題和制約無線通信發(fā)展的新瓶頸[1]. 構(gòu)建以認(rèn)知無線電技術(shù)為核心的動態(tài)頻譜管理體制， 可以從根本上緩解頻譜資源緊張的局面. 認(rèn)知無線電通信系統(tǒng)中， 感知天線可以在較寬的頻率范圍有效地進行頻譜感知， 當(dāng)感知天線發(fā)現(xiàn)合適空閑的頻段時， 通信天線就會在搜索到的空閑頻段內(nèi)進行通信工作[2].

通常， 認(rèn)知無線電通信系統(tǒng)中天線的感知功能和通信功能可以分別由超寬帶天線和可重構(gòu)的窄帶天線實現(xiàn). 文獻[3]使用橢圓形單極子天線作為超寬帶天線， 窄帶天線由單極子內(nèi)部的縫隙實現(xiàn)， 通過在縫隙上加載變?nèi)荻O管實現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào). 文獻[4]使用階梯型單極子天線作為超寬帶天線， 4個倒F天線單元作為窄帶天線， 通過在倒F天線上加載PIN二極管和變?nèi)荻O管實現(xiàn)頻率可重構(gòu)， 超寬帶單極子天線同時作為倒F天線的地； 文獻[5]使用雞蛋形單極子天線實現(xiàn)超寬帶， 5個工作頻率不同的貼片印刷在可轉(zhuǎn)動的圓形介質(zhì)上， 通過步進電機轉(zhuǎn)動圓形介質(zhì)實現(xiàn)窄帶的可重構(gòu). 為了減小天線的尺寸， 感知天線和通信天線集成是一種有效的解決方案； 文獻[6]使用圓形單極子天線作為超寬帶天線， 通過在地板上刻蝕加載開關(guān)的縫隙實現(xiàn)超寬帶和窄帶間的可重構(gòu)； 文獻[7]使用縫隙天線作為超寬帶天線， 通過在縫隙上加載開關(guān)改變縫隙的形狀來實現(xiàn)頻率可重構(gòu)； 文獻[8]在圓形單極子天線的饋線兩邊加入長度不同的枝節(jié)， 使用兩個GaAs 場效應(yīng)管開關(guān)實現(xiàn)頻率可重構(gòu)； 文獻[9]在單極子天線上加載4個光電開關(guān)， 通過控制開關(guān)的狀態(tài)改變輻射單元的形狀， 進而實現(xiàn)超寬帶和3個窄帶間的可重構(gòu)； 文獻[10]將雙饋點的貼片印刷在可以轉(zhuǎn)動的圓形介質(zhì)上， 通過旋轉(zhuǎn)介質(zhì)改變饋電點的位置來實現(xiàn)超寬帶和窄帶間的可重構(gòu).

本文提出一種應(yīng)用于認(rèn)知無線電的頻率可重構(gòu)天線， 作為感知天線可以工作在UWB頻段， 作為通信天線可以工作在WiMAX頻段. 在輻射單元和接地板上分別刻蝕加載開關(guān)的開路縫隙和短路縫隙， 通過控制開關(guān)的不同組合狀態(tài)可以實現(xiàn)頻率可重構(gòu).

1　天線設(shè)計

天線的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示， 包括3層， 上層為刻蝕開路縫隙的階梯型輻射單元和微帶饋線， 中間層為介質(zhì)基板， 下層為刻蝕短路方環(huán)形縫隙的接地板. 方環(huán)形縫隙通過金屬過孔與饋線相連， 內(nèi)部刻蝕一個圓環(huán)形縫隙用來控制方環(huán)形縫隙的短路. 在縫隙上加載6個理想開關(guān)， 控制開關(guān)的不同組合狀態(tài)可以使天線工作在超寬帶、 單頻帶、 雙頻帶3種模式， 從而實現(xiàn)頻率可重構(gòu). 選用相對介電常數(shù)為4.4， 厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)基板. 利用商用電磁軟件HFSS進行仿真分析. 優(yōu)化的參數(shù)為：W=40 mm,L=40 mm,lg=19 mm,lp=17 mm,wp=20 mm,lt=2 mm,wt=4 mm,lf=20 mm,wf=2.86 mm,ls=0.4 mm,ws=15 mm,ld=9.6 mm,lv=8 mm,li=4 mm,lo=5.4 mm,r1=1.5 mm,r2=0.3 mm. 仿真中， 用銅片的有無模擬開關(guān)的導(dǎo)通和斷開.

圖 1　天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Configuration of the antenna

輻射單元采用階梯型結(jié)構(gòu)改善天線的阻抗匹配， 進而實現(xiàn)超寬帶. 短路方環(huán)形縫隙可以對超寬帶的高頻部分產(chǎn)生抑制作用， 使得天線工作在超寬帶的低頻部分， 實現(xiàn)單頻帶. 輻射單元上的開路縫隙可以在單頻帶內(nèi)產(chǎn)生一個阻帶， 實現(xiàn)雙頻帶. 當(dāng)開關(guān)S1～S5導(dǎo)通，S6斷開時， 方環(huán)形縫隙和開路縫隙都不起作用， 天線工作在超寬帶模式(模式1). 當(dāng)S1，S6導(dǎo)通，S2～S5斷開時， 短路方環(huán)形縫隙抑制了超寬帶的高頻部分， 天線工作在單頻帶模式(模式2). 當(dāng)S6導(dǎo)通，S1～S5斷開時， 開路縫隙引起的阻帶將單頻帶分成兩部分， 天線工作在雙頻帶模式(模式3). 天線工作狀態(tài)如表 1 所示， 3種模式下仿真的反射系數(shù)如圖 2 所示.

表 1　天線工作模式

圖 2　天線反射系數(shù)Fig.2　Reflection coefficients of the antenna

2　參數(shù)分析

圖 3　模式1時不同d的反射系數(shù)Fig.3　Reflection coefficients for different d in mode 1

通過對天線進行敏感性分析， 發(fā)現(xiàn)輻射單元與接地板間的距離， 圓環(huán)形縫隙的寬度， 開路縫隙的長度分別是影響模式1， 模式2， 模式3時天線性能的主要因素. 圖 3 給出了天線工作在模式1時輻射單元與接地板間的距離d(d=lf-lg) 對反射系數(shù)的影響. 從圖3中可以看到： 隨著d的減小， 低頻部分的匹配逐漸變差， 高頻部分的匹配逐漸變好. 當(dāng)d=1 mm時天線在UWB的整個頻段內(nèi)的|S11|<-10 dB. 模式2時圓環(huán)形縫隙寬度r(r=r1-r2) 對天線反射系數(shù)的影響如圖 4 所示. 從圖4中可以看到： 隨著r的增大， 帶寬逐漸減小. 圖 5 給出了模式3時ls對天線反射系數(shù)的影響， 從圖5中可以看到： 隨著的ls的增大， 阻帶的中心頻率逐漸減小.

圖 4　模式2時不同r的反射系數(shù)Fig.4　Reflection coefficients for different r in mode 2

圖 5　模式3時不同ls的反射系數(shù)Fig.5　Reflection coefficients for different ls in mode 3

3　結(jié)果與討論

天線印制在相對介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上， 圖 6 為天線的實物圖. 采用Agilent公司N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的反射系數(shù)， Lab-Volt公司8092型自動天線測量系統(tǒng)測量天線的方向圖.

圖 6　天線實物圖Fig.6　Photos of the antenna

圖 7　測量反射系數(shù)Fig.7　Measured reflection coefficients

圖 7 為天線實測的反射系數(shù)曲線， 與圖2所示的仿真結(jié)果基本吻合. 從圖7中可以看到： 天線可以工作在超寬帶、 單頻帶和雙頻帶3種模式. 3種模式時天線的帶寬分別為8.3 GHz (2.7～11 GHz)， 2.45 GHz (2.47～4.92 GHz)， 0.28 GHz (2.33～2.61 GHz)/1.82(3.38～5.2 GHz)， 可以覆蓋UWB的3.1～10.6 GHz以及WiMAX的2.48～2.56 GHz和3.48～3.63 GHz頻段. 仿真和測量結(jié)果的差異主要由介質(zhì)基板介電常數(shù)的偏差以及制作誤差引起. 圖 8 是天線在模式1時測量的歸一化輻射方向圖. 由圖 8 可知： H面方向圖基本是全向型， E面的方向圖基本呈“8”字型. 工作頻率較高時， 天線的輻射方向圖會發(fā)生畸變.

圖 8　測量輻射方向圖Fig.8　Measured radiation patterns

4　結(jié)　論

本文提出了一種應(yīng)用于認(rèn)知無線電的頻率可重構(gòu)天線. 在輻射單元和接地板刻蝕縫隙并在縫隙上加載開關(guān)， 通過控制開關(guān)的組合狀態(tài)可以使天線工作在超寬帶、 單頻帶、 雙頻帶3種模式， 從而實現(xiàn)頻率可重構(gòu). 作為感知天線工作在UWB頻段； 作為通信天線工作在WiMAX頻段， 可以滿足認(rèn)知無線電系統(tǒng)應(yīng)用.

參考文獻：

[1]Wu T, Li Rong Lin, Eom S Y, et al. Switchable quadband antennas for cognitive radio base station applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2010, 58(5): 1468-1476.

[2]Zheng Shou Hui, Liu Xiong Ying, Tentzeris M M. Optically controlled reconfigurableband-notched UWB antenna for cognitive radio systems[J]. Electronics Letters, 2014, 50(21): 1502-1504.

[3]Erfani E, Nourinia J, Ghobadi C, et al. Design and implementation of an integrated UWB/reconfigurable-slot antenna for cognitive radio applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, 11: 77-80.

[4]Hussain R, Sharawi M S. A cognitive radio reconfigurable MIMO and sensing antenna system[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2015, 14: 257-260.

[5]Tawk Y, Costantine J, Aver K, et al. Implementation of a cognitive radio front-end using rotatable controlled reconfigurable antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, 59(5): 1773-1778.

[6]Boudaghi H, Azarmanesh M, Mehranpour M. A frequency-reconfigurable monopole antenna using switchable slotted ground structure[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, 11: 655-658.

[7]Srivastava G, Mohan A, Chakrabarty A. Compact reconfigurable UWB slot antenna for cognitive radio applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2017, 16: 1139-1142.

[8]Aboufoul T, Alomainy A, Parini C. Reconfiguring UWB monopole antenna for cognitive radio applications using GaAs FET switches[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, 11: 392-394.

[9]Jin Gui Ping, Zhang Ding Ling, Li Rong Lin. Optically controlled reconfigurable antenna for cognitive radio applications[J]. Electronics Letters, 2011, 47(17): 948-950.

[10]Lotfi P, Azarmanesh M. Rotatable dual band-notched UWB/triple-band WLAN reconfigurable antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2013, 12: 104-107.