基于忆阻器的可重构天线设计.pdf

2023 年第 9 期152信息技术与信息化电子与通信技术基于忆阻器的可重构天线设计夏 庭1 孙久勋1 谢继扬1XIA Ting SUN Jiuxun XIE Jiyang 摘要 设计了基于忆阻器的频率可重构贴片天线及多电磁参数可重构的宽带交叉偶极子天线。基于忆阻器实际物理特性设计了忆阻器 Spice 模型，将忆阻器作为开关器件嵌入于贴片天线及偶极子天线中，通过低频基带信号来为开关器件施加偏置电压，将其作为载波调制器从而对天线进行调制。联合仿真结果显示，贴片天线频率的调节范围在 PIN 二极管关闭状态下为 3.26 3.71 GHz，导通状态下频率的调节范围为2.63 3 GHz；交叉偶极子天线可切换为左旋圆极化或右旋圆极化，且在每种状态下，天线都有三个可切换的工作频带，且均具有良好的带宽性能。仿真表明忆阻器在可重构天线设计中可替代传统半导体开关器件，且忆阻器作为新型无源器件，在天线智能化小型化上具有更大的设计前景。关键词 忆阻器天线；可重构天线；贴片天线；偶极子天线 doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2023.09.0331.电子科技大学物理学院 四川成都 6117310 引言1971 年，蔡少棠指出自然界应该还存在一个表示磁通与电荷的关系的电路元件1。2008 年，惠普实验室首次制备出纳米忆阻器件2。忆阻器作为新型无源器件，因为其非易失性，在人工神经网络、保密通信、随机存储等方面均有很多研究进展。其电阻会随电荷通过而改变，当电流停止时其电阻依然会维持原值，直到通过反向电流其阻值才会复原，因此，它比传统半导体开关具有更高的应用价值。可重构天线是未来通信网络系统不可或缺的一部分。但目前的可重构天线设计依然存在诸多不足：如存在功率限制，尺寸限制等。可重构天线通过改变辐射体上的电流分布从而实现天线工作性能。可变电容和开关器件依然是目前实现改变电流的主要方式。常见的如 MESFET 开关、MEMS 开关、PIN 开关等3。但是由于它们均属于有源器件，无记忆性，因此在能量损耗上仍有优化空间。忆阻器作为新型无源器件，既是可变电阻，又是在切换状态时需要通过电流。作为忆阻器开关加入天线设计中不仅能降低能耗，在使用寿命及小型化设计上也有更好的表现。因此，研究如何将忆阻器与天线结合是未来智能天线设计的重要方向。目前国内外忆阻器天线仿真设计研究较少，忆阻器与天线的结合设计结构简单。缺乏与基于传统半导体开关设计的可重构天线的对照。主要因为忆阻器材料目前仍为实验室产物，制备获取仍较为困难，但相较于 2008 年惠普公司首次做出纳米忆阻器件，近年国内也已实现忆阻器件制备。本文主要设计了基于忆阻器的频率可重构贴片天线及多电磁参数可重构的宽带交叉偶极子天线，研究其频率可调范围及极化重构后的带宽性能，进一步研究确认了忆阻器在可重构天线设计中的可行性。1 忆阻器模型设计自 1971 年忆阻器（M）首次被蔡少棠用数学方法预测存在，继电阻器（R）、电容器（C）、电感器（L）之后，它便是第四种基本无源电子元器件。但是直到 2008 年，Strukov 等人才在惠普（HP）实验室中成功研制出了第一个物理特性完全符合忆阻器理论的纳米忆阻器件。该忆阻器在一个交叉开关结构中，将一片双层钛氧化层薄膜夹在两个金属铂（Pt）电极中间。示意图如图 1(a)所示，其中一层钛氧化层为 TiO2，可类似于阻值极大的绝缘体；另一层则由 TiO2掺杂着氧缺位构成，其整体可看成阻值较小的半导体材料。且其阻值随掺杂浓度升高而减小。如图 1(b)所示，忆阻器也可视为由未掺杂区和掺杂区组成，其中 w 表示掺杂区的长度。图 1 HP 实验室忆阻器结构及边界面漂移模型示意图由于目前仍很难获得忆阻器件，因此在研究忆阻器可重构天线前需要设计可以模拟忆阻器件性能的 SPICE 模型。目前忆阻器的模型主要由 SPICE 和 MATLAB 等软件模拟仿真 2023 年第 9 期153信息技术与信息化电子与通信技术实现4-11。考虑到后面将要忆阻器与天线进行联合仿真，故SPICE 软件建模仿真忆阻器模型。忆阻器的对称双环滞回行为可由如下等式获得12：()()()=tdxTtxty011 (1)式中：y(t)为电压/电流输出信号，x(t)为电流/电压输入信号，当 x(t)、y(t)分别代表电流和电压时，便可获得一个忆阻器件模型。若()()refItitx=，()()srefRItvty=，(1)式可变为：()()()()=trefsSdiT IRtiRtitv0 (2)式中：Iref为任意的参考电流，Rs为任意电阻。忆阻器阻值可表示为：()tqT IRRRrefsS=mem (3)式中：Rmem有四种可能，分别为代表增长/衰减型忆阻的(+,+)，(+,)和代表增长/衰减型负忆阻的(,+)和(,)。在 SPICE 软件中，交换节点便可实现增长/衰减型忆阻和增长/衰减型负忆阻的切换。根据式(2)提出了一种新的忆阻器 SPICE 模型，如图 2 所示。它只由一个控制电压源 E，一个控制电流源 F，一个电容器(C)，两个电阻器(R 和 Rs)，一个任意电压源 B1和一个任意电流源 B2而组成。且式中的T=RC。图 2 电流控制型忆阻模型当RC=1，w=1，i(t)=cos(wt)且Rs=Iref=2，时，等式(2)中(+,+)和(,)这两个情况的伏安曲线图如图 3(a)所示，该模型还能在不同频率下都得到符合忆阻器特性的伏安曲线，如图3(b)所示。(a)双环滞回行为曲线图(b)不同频率下的伏安曲线图 3 电流控制型忆阻器伏安特性曲线图为了用尽可能简单的 SPICE 模型来满足忆阻器的基本特性和特征条件，简化设计等效电路如下。最终设计模型如图 4 所示。参数设计如下：ROFF=1 k，RON=10 k，Rin=1010，R1C1=1 s，R2=100，R3=10-5，RLODA=105，k=1010，C2=10-18 F。图 4 忆阻器设计模型2 可重构忆阻器天线设计及仿真分析现有研究中基于忆阻器设计的可重构天线主要为微带贴片天线，天线结构仍较为简单13。而由于忆阻器的非易失性，它作为新型无源器件，除了在开关过程中的短暂时间，忆阻器并不需要供电，因此相比于传统半导体开关，忆阻器的功耗会更低。为了更好地研究忆阻器特性，本文设计了基于忆阻器的频率可重构贴片天线及多电磁参数可重构的宽带交叉偶极子天线，并进行了仿真分析。2.1 频率可重构贴片天线设计及仿真分析在基于忆阻器的可重构方形微带贴片天线的基础上，设计了可重构六边形贴片天线。六边形结构有利于阻抗在电流通过边缘时缓慢变化，从而更容易谐振并增大带宽。该天线上设计了两条缝隙，并将两个忆阻器分别在离馈电线近的缝隙中对称放置，通过控制忆阻器状态来实现频率可重构。为验证传统半导体开关器件和忆阻器是否可以结合使用以应对不同设计需求，设计中将 PIN 二极管在离馈电线远的缝隙中放置，来拓宽频率调节范围。其结构如图5 所示。2023 年第 9 期154信息技术与信息化电子与通信技术图 5 六边形频率可重构贴片天线参数图其中介质板的长度为 sub_1，介质板宽度为 sub_2，缝隙切割宽度为 slot，馈电线宽度为 line_w，中间矩形贴片宽度为 rw，中间矩形贴片被切割后两部分各自的长度为 rl和 rl1，地面长度为 gnd_1。PIN 二极管开关设计导通时为 1.5 电阻，关闭时为 0.17 pF 电容。天线结构参数具体见表 1。表 1 六边形贴片天线设计参数（单位：mm）hsublsubwsubwlinerl1.551.5482.66.8rwrl1lgndslot4.620151离馈电线近的两个忆阻器可以实现频率的连续可调，控制离馈电线远的 PIN 二极管的偏置电压还可拓宽频率的可调节范围。PIN 二极管处于关闭状态时，随忆阻器状态变化的 S11参数仿真结果如图6(a)。可以看到频率范围在3.263.71 GHz之间，10 dB 带宽范围在 2.62 4.55 GHz 之间。PIN 二极管处于导通状态时，随忆阻器变化的 S11 参数仿真如图 6(b)。可以看到其频率范围在 2.53 3 GHz 之间，10 dB 带宽范围在 2.05 3.34 GHz 之间。因为相较于 PIN 二极管处于关闭状态，其导通时经过贴片天线的电流路径会更长，所以导通状态下的中心频率会更小。(a)PIN 二极管关闭状态下(b)PIN 二极管导通状态下图 6 不同状态下天线 S11参数图从表 2 中可以看到，相较于基于传统半导体开关器件设计的频率可重构天线，基于忆阻器的六边形频率可重构天线在频率调节范围相对较宽，且在相对带宽方面占有很大优势。表 2 可重构忆阻器天线与其他频率可重构天线文献天线类型尺寸/mm频率可调范围/GHz10 dB 带宽/GHz14双频单极天线1.8801.602.5/4.241.86/3.660.2750.515频率选择表面单极天线0.600.602.25 2.742.24 2.8616磁性单极天线0.6200.1602.32 2.712.30 2.73本文六边形单极天线0.44200.4302.53 3.712.05 4.552.2 多电磁参数可重构偶极子天线设计及仿真分析为进一步研究忆阻器在可重构天线中的设计效果，本文基于忆阻器模型设计了多电磁参数可重构的偶极子天线，天线结构俯视图如图 7 所示。偶极子的两臂放置于介电常数为3.5 的 F4BM 介质基板的上下两面，两者正交放置。忆阻器则分别放置于馈电连接处和偶极子各臂中，通过调节 R1 R4的状态，天线可实现极化可重构，通过调节 R5 R12的状态，则可实现频率可重构。图 7 多电磁参数可重构偶极子天线俯视图 2023 年第 9 期155信息技术与信息化电子与通信技术天线设计尺寸为 100 mm100 mm0.50 mm，通过四个忆阻器将偶极子臂与馈电贴片相连，具体参数设计见表 3。表 3 多电磁参数可重构偶极子天线设计参数（单位：mm）awrd1d2n6.2115.85252flawaw1w24.528.152880120当天线处于左旋圆极化状态时，此时忆阻器 R1、R2为低阻值 R0N状态，忆阻器 R3、R4为高阻值 R0FF状态，分别对 1.8 GHz 低频带、2.2 GHz 中频带和 2.8 GHz 高频带下，偶极子电流分布情况进行仿真，结果如图 8(a)、(b)、(c)所示。(a)1.8 GHz 时偶极子电流分布图(b)2.2 GHz 时偶极子电流分布图(c)2.8 GHz 时偶极子电流分布图图 8 不同频带下偶极子电流分布（左旋圆极化）当天线处于右旋圆极化状态时，此时，忆阻器 R1、R2为高阻值 R0FF状态，忆阻器 R3、R4为低阻值 R0N状态，分别对1.8 GHz 低频带、2.2 GHz 中频带和 2.8 GHz 高频带下，偶极子电流分布情况进行仿真，结果如图 9(a)、(b)、(c)所示。(a)1.8 GHz 时偶极子电流分布图(b)2.2 GHz 时偶极子电流分布图2023 年第 9 期156信息技术与信息化电子与通信技术(c)2.8 GHz 时偶极子电流分布图图 9 不同频带下偶极子电流分布（右旋圆极化）电流分布显示，不同频带下，天线均很好地实现了对应圆极化辐射。当天线工作在左旋圆极化时，通过调节 R5 R12的状态，可以使天线在不同的频带工作，其中 R5 R12全通对应低频带，R5 R12全断对应高频带，R5 R8全通，R5 R12全断对应中频带。所对应得到的反射系数与频率关系图和轴比与频率关系图分别如图 10(a)和 10(b)所示。(d)反射系数与频率关系图(e)轴比与频率关系图图 10 左旋圆极化下反射系数及轴比与频率关系图由图 10 可知，低频带下天线工作的阻抗带宽为 69.5%（1.342.79GHz），轴比带宽为44.8%（1.562.49GHz）。中频带下天线工作的阻抗带宽 63.8%（1.54 3GHz），轴比带宽为 26.8%（2.02 2.65GHz）。高频带下天线工作的阻抗带宽 52.2%（1.86 3.21GHz），轴比带宽为 9.6%（2.89 3.2GHz）。右旋圆极化状态下，通过调节 R5 R12的状态同上，可以使天线在不同的频带工作，所对应得到的反射系数与频率关系图和轴比与频率关系图分别如图 11(a)和 11(b)所示。由图 11 可知，低频带下天线工作的阻抗带宽为 70.4%（1.332.79GHz），轴比带宽为42.4%（1.602.41GHz）。中频带下天线工作的阻抗带宽 63.1%（1.54 2.98GHz），轴比带宽为 27.7%（2 2.62GHz）。高频带下天线工作的阻 抗 带 宽 53.8%（1.84 3.26 GHz），轴 比 带 宽 为 7.3%（2.89 3.12 GHz）。(a)反射系数与频率关系图(b)轴比与频率关系图图 11 右旋圆极化下反射系数及轴比与频率关系图仿真结果显示，天线工作在不同极化状态下均仍可以在设计频带下取得良好的带宽性能，实现了忆阻器与可重构天线的较好结合。2023 年第 9 期157信息技术与信息化电子与通信技术3 结束语本文设计了基于忆阻器的频率可重构贴片天线及多电磁参数可重构的宽带交叉偶极子天线。仿真结果显示，相较于基于传统半导体开关器件设计的频率可重构天线，基于忆阻器的六边形频率可重构天线频率可调范围为2.53 3.71 GHz，10 dB 带宽调节范围为 2.05 4.55 GHz。其在频率调节上范围更宽，且在相对带宽方面也占有更大优势。多电磁参数可重构偶极子天线则可以很好地实现左旋圆极化和右旋圆极化，且在不同极化不同频带下均具有良好的带宽性能。本文进一步将忆阻器与天线设计紧密结合在一起，忆阻器作为非易失性无源器件，在未来的智能天线及小型化设计中还有更多可以结合的方向。下一步将继续研究忆阻器与方向图可重构天线的仿真设计，并引入与忆阻器相似的忆感器、忆容器，深入研究天线智能化。参考文献：1 Chua L O.Memristorthe missing circuit elementJ.IEEE Trans.Circuit Theory,1971,18(5):507-519.2 STRUKOV D B,SNIDER G S,STEWART D R,et al.The missing memristor foundJ.Nature,2008,453(7191):80-83.3 唐子行,刘明盛,王国正.可重构天线研究 J.电子世界,2019(14):2.4 YAKOPCIC C,TAHA T M,SUBRAMANYAM G,et al.Pino.Generalized memristive device SPICE model and its application in circuit designJ.IEEE Trans.Comput.-Aided Design Integr.Circuits Syst.,2013,32(8):1201-1214.5 BIOLEK Z,BIOLEK D,BIOLKOVA V.SPICE model of memristor with nonlinear dopant driftJ.Radio engineering,2009,18(2):210-214.6 RAK A,CSEREY G.Macromodeling of the memristor in SPICEJ.IEEE Trans.Comput.-Aided Design Integr.Circuits Syst.,2010,29(4):632-636.7 BATAS D,FIEDLER H.A memristor SPICE implementation and a new approach for magnetic fl ux-controlled 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