適用于3GPP信道的可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)

楊永昌

(桂林航天工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)生工作部,廣西桂林541004)

1 引 言

自適應(yīng)無(wú)線通信系統(tǒng)最近作為通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)被提出[1]。在該系統(tǒng)中,一些參數(shù),如調(diào)制和編碼速率是動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同的信道條件。在文獻(xiàn)[2]中,通過(guò)采用可重構(gòu)天線陣列,引入一個(gè)新的參數(shù),以提高系統(tǒng)的靈活性,即在MIMO系統(tǒng)中,把天線結(jié)構(gòu)和輻射/偏振特性作為一個(gè)整體參數(shù)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化配置。因此,可通過(guò)選擇正確的可重構(gòu)天線的輻射模式來(lái)提高系統(tǒng)容量[3]。到現(xiàn)在為止,已經(jīng)有很多的天線可重構(gòu)方案被提出[4-7]。但這些方案設(shè)計(jì)的天線都工作在2.4 GHz WLAN頻段,在UMTS頻段(1 920～2 170 MHz)的可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)則沒(méi)有相應(yīng)的可行性天線設(shè)計(jì)方案,與WLAN頻段的天線相比,UMTS可重構(gòu)天線面臨的技術(shù)問(wèn)題是較低的工作頻率、較寬的系統(tǒng)帶寬和可接受的天線隔離度問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)了支持選擇功能的能適應(yīng)3GPP信道的兩單元天線系統(tǒng),該天線系統(tǒng)工作在UMTS頻段(1 920～2 170 MHz),在工作頻率、系統(tǒng)帶寬利用率以及兩天線之間的隔離度方面都達(dá)到了系統(tǒng)工作的要求。

2 選擇電路及兩單元天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

可重構(gòu)天線系統(tǒng)中天線選擇電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,進(jìn)行選擇電路的設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下問(wèn)題:

(1)未選擇的天線不能簡(jiǎn)單地將其通過(guò)開關(guān)管的“關(guān)”狀態(tài)斷開(圖1(a));

(2)開關(guān)管的直流和射頻通路要隔開,以避免產(chǎn)生相應(yīng)的干擾。

為了避免傳統(tǒng)開關(guān)電路中出現(xiàn)的簡(jiǎn)單隔絕措施和缺少隔直隔射頻,本設(shè)計(jì)方案采取了以下的措施予以解決:

如果某天線未被選擇,通過(guò)開關(guān)管的“關(guān)”狀態(tài)將未被選中的天線與饋線斷開,同時(shí)另一個(gè)開關(guān)管處于“開”狀態(tài),將其與一個(gè)匹配的電阻進(jìn)行連接,以減小整個(gè)多天線系統(tǒng)的源端變化;否則通過(guò)開關(guān)管的“關(guān)”狀態(tài)將被選中的天線與匹配的電阻斷開,同時(shí)另一個(gè)開關(guān)管處于“開”狀態(tài),將該天線與饋線進(jìn)行連接。此外,射頻通路設(shè)計(jì)有隔直電容,直流通路有射頻阻斷電感,以降低直流和射頻通路之間的干擾,如圖1(b)所示。

圖1 本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電路Fig.1 The proposed switching circuit

如圖2所示,設(shè)計(jì)了支持選擇功能的兩單元天線系統(tǒng)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí),開關(guān)管選擇了PIN二極管開關(guān),匹配電阻以及其他元件都選擇了表面貼裝形式,以盡量減小對(duì)原天線系統(tǒng)的影響。

圖2 天線結(jié)構(gòu)Fig.2 The antenna structure

圖2中右側(cè)圖為左側(cè)圖的局部放大圖,深色部分是top layer,淺色部分是bottom layer,天線尺寸為95 mm×60 mm×0.8 mm,介電常數(shù)4.4,圖中下方的Connector是為了測(cè)試方便增加的。

3 天線性能測(cè)試

在3GPP信道模型下對(duì)天線的散射(S)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖3所示。

圖3 天線系統(tǒng)的S參數(shù)Fig.3 S-parameters of the antenna system

如圖3所示,當(dāng)兩個(gè)單元都被選擇時(shí),單元1的帶寬為415MHz(1 790～2 205MHz),單元2的帶寬為395MHz(1 805～2 200 MHz),很好地覆蓋了UMTS頻段,同時(shí)在該頻段內(nèi)的隔離度大于12.5 dB;僅單元1被選擇時(shí)的S11和兩單元都被選擇時(shí)的S11比較,帶寬基本未變,為410MHz(1 790～2 200 MHz);僅單元2被選擇時(shí)的S22和兩單元都被選擇時(shí)的S22比較,帶寬也基本未變,為390MHz(1 805～2 195MHz)。

最后,在3GPP信道模型下對(duì)天線方向圖的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試,如圖4所示。測(cè)試結(jié)果表明:兩天線的方向圖在空間中依然保持了基本互補(bǔ),可以提供方向圖分集來(lái)對(duì)抗無(wú)線環(huán)境中的多徑衰落;從3個(gè)平面兩個(gè)極化方向的方向圖可以看出,天線的方向圖保持了較高的穩(wěn)定性,即未被選擇的天線不會(huì)影響其他被選擇的天線的方向圖。因此,天線選擇的可實(shí)現(xiàn)性得到了初步驗(yàn)證。

圖4 天線系統(tǒng)的方向圖測(cè)試結(jié)果Fig.4 The pattern of antenna system

4 結(jié) 論

本文在UMTS頻段構(gòu)建了一個(gè)緊湊的可重構(gòu)天線,該天線陣列由兩個(gè)混合單極和偶極子單元組成。對(duì)于每個(gè)單元,通過(guò)控制3個(gè)PIN二極管的狀態(tài),構(gòu)成兩種工作模式:單極模式和偶極子模式。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,天線陣中的4種模式中的任何一種都可以覆蓋UMTS頻段。本文構(gòu)建的兩天線可重構(gòu)天線系統(tǒng)不僅拓展了寬帶多天線系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力,還提高了系統(tǒng)頻譜利用效率。同時(shí),各種形式下的天線方向圖保持了較高的穩(wěn)定性,即未被選擇的天線不會(huì)影響其他被選擇的天線的方向圖,沒(méi)有對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

[1]Catreux S,Erceg V,Gesbert D,et al.Adaptive modulation andMIMO coding for broadband wireless data networks[J].IEEE CommunicationMagnize,2002,40(6):108-115.

[2]Cetiner B A,Jafarkhani H,Qian J Y,et al.Multifunctional reconfigurable MEMS integrated antennas for adaptive MIMO systems[J].IEEE Communication Magnize,2004,42(12):62-70.

[3]Sukumar C P,Elsami H,Eltawil A,et al.Link performance improvement using reconfigurable multi-antenna systems[J].IEEEAntennas Wireless Propagation Letters,2009(8):873-876.

[4]馮正和,杜正偉.新型天線技術(shù)與電波傳播特性研究[J].電子學(xué)報(bào),2007,35(6):7-12.FENG Zheng-he,DU Zheng-wei.Study on novel antennas and channel properties[J].Acta Electronica Sinica,2007,35(6):7-12.(in Chinese)

[5]LaiM,Jeng S.Compact pattern reconfigurable antenna array based on L-shaped slots and PIN diodes for adaptive MIMO systems[C]//Proceedings of 2008 IEEE International Symposium on Antennas Propagation.San Diego,CA:IEEE,2008:1-4.

[6]李媛,張志芹,郭嘉,等.寬帶分形陣列天線的設(shè)計(jì)及其耦合分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2011,24(4):537-542.LI Yuan,ZHANG Zhi-qin,GUO Jia,et al.Design of the Wideband Fractal Antenna Array and Coupling Analysis[J].Chinese Journalof Sensorsand Actuators,2011,24(4):537-542.(in Chinese)

[7]孫佳文,陳文華,馮正和,等.頻率方向圖復(fù)合可重構(gòu)寄生單極子天線陣列[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2011,26(1):1-6.SUN Jia-wen,CHEN Wen-hua,FENG Zheng-he,et al.Frequency pattern composite reconfigurable parasitic monopole antenna array[J].Chinese Journal of Radio Science,2011,26(1):1-6.(in Chinese)