天线与射频电路.doc

基于RF开关和PIN二极管极化可重构悬浮天线

摘要
基于RF开关和PIN二极管的极化可重构平面天线，用在中心频率为2.5GHz的WLAN。天线系统由平面结构，三通开关（6个PIN二极管），从0到90相移传输线组成。在5V直流偏压和16mA PIN二极管电流下，天线可以在5个状态下切换：垂直、水平、倾斜的线性极化，左旋圆及右旋圆极化。模拟和测量结果表明，该天线的阻抗带宽为2.400 GHz 到2.484 GHz，并且具有良好的圆极化。
关键词：PIN二极管，极化，可重构天线，RF开关
Ⅰ 背景介绍
在客户端和设备（如笔记本电脑、PDA、平板电脑、蓝牙和PC卡）本地网络接入上，无线局域网（WLAN）已成为最受欢迎的无线通信方式。根据IEEE的WLAN标准，无线网络在2.400—2.484GHz（IEEE802.11b/g）的频率段工作。无线通信系统经常遇到多径衰落的问题[1]。天线的多样性如极化，结构，空间和频率分集技术对解决多径衰落和增加系统容量至关重要。此外，可重构天线也以同样的方式解决多径衰落的问题[2-4]。
近年来，可重构天线得到了大量的研究和发展。它能在适应模式切换、频率变换和极化变换等多种工作模式。可重构天线是由射频开关控制电路控制的有源集成天线（AIA）。RF开关由PIN二极管构成。可重构天线具有物理尺寸与工作波长之比小、转换速度快、寄生电抗小、宽带射频信号、节能和造价低等优点。然而，与RFICs和MEMs开关天线相比，它的插入损耗高，隔离度低[5]。此外，可重构天线在不同模式下阻抗匹配的设计是非常困难的[6-8]。极化可重构天线由天线和射频开关电路组成，如图1所示。
天线使用CST模拟器进行模拟。天线通过方形板结构辐射信号。天线插入到辐射板与接地板之间留有气隙。射频开关电路部分用ADS软件进行仿真。基于PIN二极管的RF开关电路控制天线的极化将在第三部分讨论。极化可重构天线和结论分别在第四部分和最后一部分讨论。
Ⅱ天线设计
该天线根据WLAN系统协议设计，中心频率是2.45GHz。天线的衬底是环氧树脂，介电常数（）、损耗因数（）和高度hd分别为2.65、0.07和0.51mm。辐射方形板宽（W）51.5mm，厚度（tp）为35μm。辐射板通过线性探针在距离辐射板中心Dp的反馈点得到反馈。气隙的高度是2mm，接地平板的尺寸（G）为80mm。

图1极化可重构天线原理图

图2| Sij|为线性探针探测距离的函数
由图2知模拟| Sij |在反馈距离从20mm到25mm的值；发现反馈距离为23mm时得到最合适，线性距离探针在| S11 |，| S22 |，| S33 |和| S44 |取得-25.08dB。阻抗带宽从2.33GHz到2.56GHz（| Sij |≥-10dB）。图3是| S11 |（探针1 S22 |（探针2），| S33 |（探针3）和| S44 |（探针4）的模拟及测量结果，在2.45GHz下分别为-20.27dB，-27.07dB，-29.28dB和-28.13dB。该天线的阻抗带宽能覆盖WLAN的频率。它在垂直方向（探针1和2）和水平方向（探针2和3）线性极化。天线单向辐射；天线辐射模式的模拟和测量由第四节的图8和图10解释。

图3不同探针| Sij|的模拟及测量
Ⅲ RF电路开关设计
射频开关电路使用单刀双掷开关（SPDT）；它基于菲利普半导体公司的BAP64-05 型PIN二极管；它的介电常数（）和损耗因数（）分别为6.32和0.004。50Ω传输线的宽度为1.1mm；RF扼流圈由高阻抗线构成，高阻抗线的长度为四分之一传输波长；RF开关电路使用5V直流电源；流经二极管电流为16mA时，二极管电阻为276Ω。直流电源的耦合电容和旁路电容为120pF。模拟用单刀双掷开关切换RF电路，测量结果，| S11 |，| S22 |，| S33 |能满足WLAN的频率要求；在中心频率下测的| S12|和| S13 |插入损耗分别为-1.94dB和-2.74dB。通过对SPDT射频开关改进和集成3个RF开关，极化可重构天线可以切换5种状态（表1）。射频开关电路的实物图如图5所示。

图4 SPDT RF开关电路| Sij|的模拟和测量

表1 PIN开关机制对应的电路的极化状态

Ⅳ极化可重构天线

极化可重构天线实物由平面结构和集成的三个RF开关（6个PIN二极管）组成；天线共有四层：天线层、气隙层、共地平面层和射频开关层。射频切换电路位于公地层下面；线性探针电极在天线反馈点和射频开关输入端口之间连接。射频开关电路有四个端口：如RF#1，RF#2，RF#3，RF#4。端口RF#1和RF#4与传输线的0度移相器相连；RF#2和RF#4与传输线的90度移相器相连；如图5所示。

图5天线实物照片

图6 | S11|线性极化频率的模拟和测量

图7| S11|圆极化频率的模拟和测量

图6是| S11的线性极化（LP）模拟和测量结果；包括垂直极化（V-Pol）、水平极化（H-Pol）及斜偏极化。线性极化的测量值，在中心频率下的时候分别为-19.18dB，-19.13dB和-15.17dB，可以覆盖WLAN信号频率。图7是| S11|的圆极化频率的模拟和测量；与线性极化一样，天线的圆极化也能覆盖WLAN信号频率。

图8在xz平面的辐射模式

图9在xy平面的辐射模式

图10频率增益的模拟和测量
图8显示天线在xz平面的电子共极化辐射的模拟和测量；从线性极化的测量结果看，在半功率波束宽度下垂直和水平极化度为58.5°，偏极化度为38°；LHCP和RHCP电子极化的轴向比率测量结果分别为16.5°和10.8°。图9显示天线在xy平面的电子共极化辐射的模拟和测量；三种半功率波束宽度下的线性极化度为62.7°；LHCP和RHCP电子极化的轴向比率测量结果分别为16.53°和10.75°。图10是模拟在中心频率2.45GHz，天线的频率增益测量值；线性极化在垂直，水平和倾斜方向的增益分别为5.58dBi，4.98dBi，5.021dBi；RHCP和LHCP圆极化增益分别为5.22 dBic和5.86 dBic 。
Ⅴ结论
在本实验中，极化可重构平面结构天线使用RF开关（6个PIN二极管）获得合适的| S11|和无线通信；满足中心频率2.45GHZ的WLAN传输。天线的带宽从2.4GHz到2.484GHz；天线可以在5个状态下切换：垂直、水平、倾斜的线性极化，左旋圆及右旋圆极化；在半功率波束宽度下xz平面和xy平面极化度大于38°；模拟和测量的结果存在误差，因为极化可重构天线存在插入损耗，能较小2.5dB到3.0dB的增益。
Ⅵ引用文献