论文总字数：19144字

目 录

一．绪论 1

1.1可重构天线的研究背景与意义 1

1.2可重构天线国内外研究现状 1

1.2.1频率可重构天线 2

1.2.2方向图可重构天线 3

1.2.3增益可重构天线 3

1.2.4极化可重构天线 4

1.3论文所做的工作及思路 4

1.4论文章节安排 5

二．天线基本理论 6

2.1基本特性参数 6

2.1.1方向图 6

2.1.2增益 7

2.1.3极化和轴比 7

2.1.4输入阻抗及其相关特性 8

2.1.5效率 8

2.2 微带天线 8

2.3微带天线阵 8

2.4天线的分析方法 9

三．天线的设计 10

3.1 Ansoft HFSS仿真软件的介绍 10

3.2二元微带天线阵的设计 10

3.3 RF PIN二级管的介绍 13

3.4二元微带天线阵的四重可重构设计 18

四．四种可重构天线的结果分析 22

4.1频率可重构操作 22

4.1.1频率可重构中开关的具体通断情况 22

4.1.2频率可重构的回波损耗、增益和辐射效率 22

4.2天线的方向图可重构操作 28

4.2.1方向图可重构中开关具体的通断情况 28

4.2.2方向图可重构的回波损耗、增益和辐射效率 28

4.3天线的增益可重构操作 30

4.3.1增益可重构中开关的通断情况 30

4.3.2增益可重构的回波损耗、增益和辐射效率 30

4.4天线的极化可重构操作 32

4.4.1极化可重构中开关的通断情况 32

4.4.2极化可重构的回波损耗、增益、辐射效率和轴比 32

五．总结 35

参考文献： 36

致谢 37

一．绪论

1.1可重构天线的研究背景与意义

纵观通信技术起源和发展的历史，可以发现通信在人们的日常生活中占据的地位已经越来越重要了。时至今日，无线电通信使得人类社会信息的传递变得高速、广泛起来，各种通信设备和技术不断涌现，如无线电报、卫星电话、蓝牙传输、射频识别等等 ^[1]。在传统的语音通话向更高要求的可视通话发展、大文件投递、多媒体广播、网页广播等不同的信息服务过渡的背景下，如今对信息传输的速度与质量的要求日益提高^[2]。容量更大功能更加完备的无线信息系统是当今发展的主旋律,通讯系统只有向着这个方向不断努力,才能更大限度地利用已有的基础降低系统的运行成本，同时与现今生活中对通信日益增长的数量和质量的要求相匹配。在这样的发展大趋势下，天线为了增加信息出入的通道其数量不断增加。天线数量的增加直接导致天线系统变得更为复杂，系统环境下天线之间的相互干扰越发明显，这对于信息传输尤为不利，成为了无线信息系统向前迈进道路上的阻碍。

为了攻克这个难题，使整个无线通信系统的特性不受天线的限制，“可重构天线”这个概念被提了出来，并得到了广泛的关注，吸引了大批学者对其展开研究。天线的可重构可以看作是单一功能的天线向多种特性功能同时具备的过程的演变，通过变换天线的结构和工作模式，使得天线的频率、方向图、极化方式、增益等特性在各自发生改变的同时维持其他特性的相对稳定，从而适用于不同的通信环境。在不同频率下操作的能力对于移动通信和其他无线通信系统非常重要，这些系统需要在不同的标准下同时工作。我们经常使用方向图和极化特性的重新配置来增加无线系统的信道容量，以便更多用户可以同时共享相同的频谱。通过增益可重构减少干扰并降低系统噪声。对可重构天线的研究，是对天线技术的进一步开拓。可重构天线的研究对扩展信息系统的功能和拓展系统工作带宽起着极为重要的作用，也为未来的通信技术开辟了新的发展前途。

1.2可重构天线国内外研究现状

可重构天线的概念，1983年由天线专家SchauberI等在其专利中首次被提出，1999年美国国防部高级研究计划署组织了12家著名的大学、研究所和公司^[3]，共同制定了名为“可重构孔径”的研究计划（recongfigurable aperture program）。计划规划了1999- 2003年作为计划的第一期。最初的研究目的是探究能否在超宽带范围带宽内实现辐射方向图的可重构，国外目前的研究都以此项目为依托。相比于国外，中国国家高技术研究计划（863）于2001年资助的项目：“可重构天线的电磁理论及关键技术研究”和国家自然科学基金2004年资助的项目“用于移动终端的紧凑型可重构平面天线”^[4],在天线的可重构研究领域也有深入的探究和卓越的成就，为今后可重构天线的研究登上一个新台阶打下了深厚的基础。

研究者一直都在不断探索重构天线的方式方法，总结得出，重构天线使其适应人类社会的需求主要依靠外界添加驱动的方式，无论是施加电压还是使用机械驱动，都可以使得辐射单元的结构发生改变，继而改变天线表面的电流分布^[5]。反过来看也是成立的，当天线表面的电流分布与之前有所不同时，辐射特性受其影响也会有一些改变，辐射特性的改变代表着天线的辐射单元受到了影响，辐射单元的结构与原先相比有所不同。可重构天线能在如今收获如此之多的研究成果得益于微电子机械开关领域的的研究发展。射频微机电开关状态由施加在它上面的直流电压决定，驱动它的主要力量是本身内部的静电荷，所以射频微机电开关的突出优势就是功耗极低。另外，射频微机电开关需要通过物理上的金属相连接，所以还具备插入损耗低和隔离度高的优点。但是MEMS 开关因为成本太高，目前的投入应用的行业和领域还不太多。与之相比在对隔离和功耗要求不是很高的情况下，PIN 二极管开关成本低，反应灵活可以作为替代。目前，国内外可重构天线的分类主要有如下几种：第一种，最热门的频率可重构天线，特点是谐振频率可以调节，在调节频率的同时方向图没有明显的变化，这种可重构天线的频率可以在一定的工作频带范围变化也可以同时在不同的频段内；第二种，方向图可重构天线，特点是方向图的主波束能在一定范围转换，转换过程中保持频率没有明显的变化；第三种，是频率和方向图能同步控制的混和可重构天线；第四种，极化可重构天线，特点是改变极化方式而工作频率和辐射方向图基本不变。

1.2.1频率可重构天线

频率可重构天线，就是天线的中心频率在不同的频率都有比较理想的能使天线正常运行的带宽，并且保持天线的方向图无明显倾斜的天线。天线的中心频率可以在一个范围内变换或是同时落在不连续的多个频段内，这种能力在通信角度看来是非常可贵的，尤其是运用在信息保密和信息的抗干扰方面。

重构工作频率的第一种方法是在合适的位置加载开关改变天线口径。不同的口径结构就对应了不同的工作频率，改变口径就能在一定程度上影响频率，使其发生偏移，实现天线功能适配不同的实际应用场景。重构工作频率的第二种方法是在平面结构基础上集成射频器件，增加了射频器件就意味着天线结构在一定程度发生了物理改变，射频器件还可以灵活自由地控制通断，不同组合下天线表面电流流过的路径就会发生变化，从而天线的频率特性。最先采用开关重构频率的可重构天线一种是环形槽天线^[6],另一种是微带偶极子天线^[7]。图1-1和图1-2对应文献[6]和[7]所研究的天线结构。其中图1-1所示天线是在微带天线的表面刻槽得到两个缝隙，在这两个缝隙中安装MEMS开关。图1-2所示天线为方形槽可重构天线,在方形槽的四个角处安装开关,该天线在中央馈电。通过开关转换改变理想金属条的长度，进而使环型槽周长发生改变，中心频率也会受到影响。

图1-1 微带偶极子可重构天线

图1-2 可重构环形槽天线

1.2.2方向图可重构天线

方向图可重构天线的特点是在主波束在不同仰角之间转换时，保持中心频率不发生明显偏移。在飞机等交通工具，武器等军事用途和我们熟悉的无线通信网络中都有很多的应用。以前最常见的改变天线辐射方向图的方法是采用相控阵天线技术,但是相控阵天馈系统有着系统过于复杂,占用空间较大，零部件昂贵，成本相对较高的缺点，受这些因素的影响所以不能广泛应用。与之相比的方向图可重构天线，在控制天线上和实现应用上具有明显的优势。方向图可重构的方法，根据浏览国内外的相关资料得知有以下几种：（1）加载电源开关（2）馈电点的相位（3）改变天线的结构，例如天线的厚度和尺寸，来改变辐射方向图。如图1-3所示，文献[8]展示了一种手持式无线设备的紧凑型可重构天线设计，直角槽中的开关的通断的组合，可以定向地得出两种模式的方向图重构，天线的创新之处在于工作在2.4GHz，尺寸虽然与传统的WLAN天线相当，但是能提供天线分集功能，接收信号更为准确可信。

图1-3 手持式无线设备的紧凑型可重构天线设计

1.2.3增益可重构天线

天线的增益的大小代表着天线收发信号的能力的优劣。天线增益这个特性参数，对移动通信系统的运行质量极为重要。提高单个天线的增益，可以通过缩窄波瓣宽度使该天线的方向更为集中，发射方向上的信号强度就会相应加强。除了单个天线以外，其他的天线增强增益的方式有三种，第一种是在一定条件下增加频谱和带宽。第二种是利用MIMO技术，在收发端都增加天线系统的数量，实现在同样的时间内收发更多的信号。第三种是利用智能天线技术，智能天线相当于空时过滤器，采用新的多址方式，增强所需信号抑制干扰。面对通信业务的巨大需求，想要更大可能得利用现有基站，尽可能少建新的基站，就必须使用各种方式提高天线的增益。因此增益可重构天线应运而生，逐渐成为热点。

1.2.4极化可重构天线

极化可重构天线可以理解为，天线极化方式在圆极化和线极化之间或者圆极化前提下左右旋之间切换又或是线极化情况下水平间和垂直间的相互转化时，天线的其他特性能维持基本不变。

极化可重构的完成还通过控制开关的开闭情况，组合实现其不同的工作模式，产生不同相位的天线波形，当这些相位组合成一定关系时，就能够激励出相异的极化方式。极化可重构天线的起步并不领先，该技术也不是那么完善，但它可以有效提高天线的收发效率，特别是在体积受到一定限制的移动设备种有着明显的优势，因此有着广泛的应用前景，相关研究成果也比较多^[9]。如图1-4展示了的微带贴片天线，它的极化方式是线极化，通过巧妙地设计，线极化可以在水平极化和垂直极化之间转换。

图1-4 微带贴片天线的两种线极化状态的可重构

1.3论文所做的工作及思路

本文的主要工作是在相对简单的二元微带天线阵列的基础上研究混合可重构天线。以二元微带天线阵列为本文一切设计的前提，进行改造和创新，分别对频率、方向图、增益和极化这四种天线的特性进行重构，在文章的设计部分会有具体的四种可重构天线的详细介绍。为了使进行的可重构设计有意义，每一种可重构设计目的都是控制一个特性发生变化，其他特性保持基本不变。

在学习了天线基本理论和熟悉了天线设计中需要使用的仿真工具，并且参考国内外相关文献资料后，对微带天线进行研究，在天线的设计中提出了切实可行的想法。最终设计出了频率能在1.85-2.45GHz之间变化，辐射图的主波束方向在0和30度（仰角）之间旋转，天线增益在5.7-7.8dBi之间切换，2.45GHz频率下在圆极化模式和线极化模式下可以任意转化的四重可重构天线,并利用HFSS仿真软件获得仿真相应的结果图。

1.4论文章节安排

论文一共分为五个部分，内容安排如下：

第一部分是绪论。在绪论中详细地交代了当前可重构天线的研究背景与意义，并通过大量地查阅资料总结出关于可重构天线的国内外研究现状，后续依次对四类可重构天线进行了简单的阐述。

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