用于手持移动终端的可重构天线设计
用于手持移动终端的可重构天线设计
摘要：提出了一种可用于手持移动终端的可重构天线的设计方法。该天线安装有两个rf-pin开关，可通过一个直流控制电路控制开关的状态，以使天线的极化方式和辐射方向图发生变化，从而实现极化可重构和方向图可重构。该天线结构紧凑，易于与电路板集成在一起，在移动终端中有良好的应用价值。
o 引言
目前，各种通信系统发展的重要方向之一是大容量、多功能、超宽带。通过提高系统容量、增加系统功能、扩展系统带宽，一方面可以满足日益膨胀的实际需求，另一方面也可以降低系统成本。而天线作为各种无线通信系统的前端，其性能对于通信系统整体功能具有重要的影响，因此也相应的对其提出了诸如多频、宽带、小型化等要求。随着无线通信系统的日益复杂化，单一的传统天线已经不能满足要求。而多天线设计虽然可以满足新一代无线通信系统对天线的高要求，但是，天线数目的增多，会使设备成本、天线的空间布局等问题凸显出来。特别是在手持移动设备上，由于空间有限，使得多天线的设计异常困难。在这种情况下，可重构天线就具有非常明显的优势。它可在不改变天线的尺寸和结构的情况下在天线的方向图、工作频率、极化特性等方面实现重构，从而使一个天线能够实现多个天线的功能，适应移动终端不同的应用环境和要求。
在天线的方向图可重构方面，目前的研究主要集中在采用八木形式的结构上。即通过开关控制来改变反射器或引向器的有效谐振长度，从而实现反射或者引向作用，使天线的辐射方向发生变化。但是，这种方式需要多个天线。故在手持终端有限的空间下，采用这种方式有很大的困难。另外，在天线极化方式可重构方面，研究的重点也是单贴片的天线，即通过在天线上开槽或者采用多条馈线，并在不同位置安装开关来改变开关的状态从而实现极化方式的变化，但是，这种天线的面积较大，同时采用多条馈线的结构太复杂，都不适用于实际的移动设备。
本文提出了一种用于手持移动设备的可重构天线．该天线在适当位置安装了rf-pin开关，可通过直流控制电路控制开关的通断，以使天线以两种正交的线极化方式工作，同时也使天线的方向图发生变化，从而实现极化方式和方向图的重构。该天线结构紧凑，面积小，易于制造，并具有在同一终端安装多个天线来实现mimo(多输入多输出系统)的潜力，故在移动终端中有良好的应用价值。
1 天线结构与设计
天线可以与手持设备电路板集成在一起，安装在电路板的左上角，其结构和rf-pin开关控制电路示意图如图1所示。
通常的天线版图位于介质基片的底面，控制电路位于基片的顶面，图l中的d1、d2为两个rf-pin开关；cl、c2为旁路电容，对高频信号短路；l1、l2为电感，对高频信号开路。二极管和电容通过通孔与底面的天线连接。该天线基片采用厚度为0．8 mm，介电常数为4．4的fr4材料。水平与垂直的两个微带结构通过rf-pin开关与电路板地相连，中间的微带为馈线，并通过同轴电缆直接馈电。微带天线的谐振频率主要取决于微带线的长度，在一般情况下，在介电常数为εeff的基片上，微带线的波导波长约为：
由于两种工作状态下，天线的接地端不同，因此，天线的有效辐射部分也有所不同。当处于x模式时，天线结构中垂直部分的微带线接地，因此，天线的辐射部分应该为水平部分的微带，天线也相应工作在水平极化方式。图3所示为天线在2．44 ghz时的射频电流分布图。
从图3可以看出，射频电流主要集中在天线水平方向的微带线上(这印证了前面的分析)。但同时，在中间部分的微带以及天线其他部分也存
在射频电流，因此，天线仍会辐射部分垂直极化波。图4所示为天线的两种极化波在xy及yz平面的方向图。
图4中，theta表示水平极化方波，phi表示垂直极化波，从图中可以看出，在xy平面上，水平极化波的平均增益比垂直极化波高35 db以上，而在yz平面上，水平极化波具有良好的全向性，且平均增益比垂直极化波高约10 db，因此可以判断，水平极化波能量远大于垂直极化波能量，天线工作在水平极化方式下。
当处于y模式下时，天线结构中水平部分的微带线接地，因此，垂直部分的微带线是天线的有效辐射体，此时天线也相应工作在垂直极化方式下。图3(b)所示为模式y下天线在2．4 ghz的射频电流分布图，从图中可以看出，此时的射频电流主要集中在天线垂直方向的微带线上，天线此时工作在垂直极化方式下。图5所示为该模式下天线两种极化波在xy和yz平面的方向图。
从图5中可以看出，在xy平面上，垂直极化波的最大增益比水平极化波高37 dbi，同时在yz平面上，垂直极化波也有良好的全向性。其最大增益比水平极化波高12 db，说明在该模式下，天线可良好地辐射垂直极化波，而交叉极化分量很低。
事实上，在两种工作模式下，天线的总体方向图会发生显著变化。在yz和xz两个平面上。天线方向图具有良好的全向性，能尽可能的接受各个方向的来波信号；而在xy平面上，天线在两种状态下的方向图显著不同，最大辐射方向会发生明显改变，并且在这个辐射平面上可以实现良好的互补。故在实际应用中，应根据信号波的方向和强度的不同，来实时改变天线状态，调整方向图的最大辐射方向，以有效地提高天线信号的信噪比，提高通信速率和系统容量。
3 结束语
本文提出了一种用于手持移动设备的可重构天线的设计方法，该天线安装了两个rf-pin开关，可通过一个直流控制电路来控制开关的通断，以使天线工作在垂直极化或水平极化方式，同时也使天线方向图发生变化，从而实现极化方式和方向图的同时重构。仿真结果表明，在两种状态下，该天线的-10 db带宽均可达到240 mhz。而且通过开关状态的切换，还可以使天线在水平和垂直线极化方式之间切换，并使天线辐射方向图的主瓣方向也偏转150°。该天线结构紧凑，面积小，易于制造，可用于移动终端的多天线系统，因此在移动通信系统中有良好的应用价值。
最容易碎屏的三款小米手机，小米mix首当其冲！
小米7发布时间确定_3D人脸识别刘海屏加持_还有小米手环3
光固化首推！纵维立方3D云打印平台成智能化最优选
如何将二进制格式数据在阿里云平台上转换成LoRa节点设备的具体属性
电机功率的计算公式
用于手持移动终端的可重构天线设计
阿斯塔纳航空计划使用A321LR飞机开通上海航线
自动驾驶汽车明年开始爆发 自动驾驶法规从北京开道
电力巡检机器人，以人工智能技术推动坚强电网建设
插件封装技术VS顶部散热封装技术
2020年全球物联网支出达兆美元,软件速度超越硬件,成长率达16.1%
克服升压转换器本身限制的方法
12款2015中美创客大赛酷炫方案让你脑洞大开
厨房小白不会做菜？飞利浦空气炸锅助你轻松当大厨！
大神教你：嵌入式LWIP网络客户端设计
HDMI 1.3标准详解
SMT贴片加工厂生产流水线的各项规定
汽车继电器的安装方法
氢能源依托新能源车与氢燃料结合,不断加快步伐
高通推10nm服务器芯片，能威胁到Intel吗？
摘要：提出了一种可用于手持移动终端的可重构天线的设计方法。该天线安装有两个rf-pin开关，可通过一个直流控制电路控制开关的状态，以使天线的极化方式和辐射方向图发生变化，从而实现极化可重构和方向图可重构。该天线结构紧凑，易于与电路板集成在一起，在移动终端中有良好的应用价值。
o 引言
目前，各种通信系统发展的重要方向之一是大容量、多功能、超宽带。通过提高系统容量、增加系统功能、扩展系统带宽，一方面可以满足日益膨胀的实际需求，另一方面也可以降低系统成本。而天线作为各种无线通信系统的前端，其性能对于通信系统整体功能具有重要的影响，因此也相应的对其提出了诸如多频、宽带、小型化等要求。随着无线通信系统的日益复杂化，单一的传统天线已经不能满足要求。而多天线设计虽然可以满足新一代无线通信系统对天线的高要求，但是，天线数目的增多，会使设备成本、天线的空间布局等问题凸显出来。特别是在手持移动设备上，由于空间有限，使得多天线的设计异常困难。在这种情况下，可重构天线就具有非常明显的优势。它可在不改变天线的尺寸和结构的情况下在天线的方向图、工作频率、极化特性等方面实现重构，从而使一个天线能够实现多个天线的功能，适应移动终端不同的应用环境和要求。
在天线的方向图可重构方面，目前的研究主要集中在采用八木形式的结构上。即通过开关控制来改变反射器或引向器的有效谐振长度，从而实现反射或者引向作用，使天线的辐射方向发生变化。但是，这种方式需要多个天线。故在手持终端有限的空间下，采用这种方式有很大的困难。另外，在天线极化方式可重构方面，研究的重点也是单贴片的天线，即通过在天线上开槽或者采用多条馈线，并在不同位置安装开关来改变开关的状态从而实现极化方式的变化，但是，这种天线的面积较大，同时采用多条馈线的结构太复杂，都不适用于实际的移动设备。
本文提出了一种用于手持移动设备的可重构天线．该天线在适当位置安装了rf-pin开关，可通过直流控制电路控制开关的通断，以使天线以两种正交的线极化方式工作，同时也使天线的方向图发生变化，从而实现极化方式和方向图的重构。该天线结构紧凑，面积小，易于制造，并具有在同一终端安装多个天线来实现mimo(多输入多输出系统)的潜力，故在移动终端中有良好的应用价值。
1 天线结构与设计
天线可以与手持设备电路板集成在一起，安装在电路板的左上角，其结构和rf-pin开关控制电路示意图如图1所示。
通常的天线版图位于介质基片的底面，控制电路位于基片的顶面，图l中的d1、d2为两个rf-pin开关；cl、c2为旁路电容，对高频信号短路；l1、l2为电感，对高频信号开路。二极管和电容通过通孔与底面的天线连接。该天线基片采用厚度为0．8 mm，介电常数为4．4的fr4材料。水平与垂直的两个微带结构通过rf-pin开关与电路板地相连，中间的微带为馈线，并通过同轴电缆直接馈电。微带天线的谐振频率主要取决于微带线的长度，在一般情况下，在介电常数为εeff的基片上，微带线的波导波长约为：
由于两种工作状态下，天线的接地端不同，因此，天线的有效辐射部分也有所不同。当处于x模式时，天线结构中垂直部分的微带线接地，因此，天线的辐射部分应该为水平部分的微带，天线也相应工作在水平极化方式。图3所示为天线在2．44 ghz时的射频电流分布图。
从图3可以看出，射频电流主要集中在天线水平方向的微带线上(这印证了前面的分析)。但同时，在中间部分的微带以及天线其他部分也存
在射频电流，因此，天线仍会辐射部分垂直极化波。图4所示为天线的两种极化波在xy及yz平面的方向图。
图4中，theta表示水平极化方波，phi表示垂直极化波，从图中可以看出，在xy平面上，水平极化波的平均增益比垂直极化波高35 db以上，而在yz平面上，水平极化波具有良好的全向性，且平均增益比垂直极化波高约10 db，因此可以判断，水平极化波能量远大于垂直极化波能量，天线工作在水平极化方式下。
当处于y模式下时，天线结构中水平部分的微带线接地，因此，垂直部分的微带线是天线的有效辐射体，此时天线也相应工作在垂直极化方式下。图3(b)所示为模式y下天线在2．4 ghz的射频电流分布图，从图中可以看出，此时的射频电流主要集中在天线垂直方向的微带线上，天线此时工作在垂直极化方式下。图5所示为该模式下天线两种极化波在xy和yz平面的方向图。
从图5中可以看出，在xy平面上，垂直极化波的最大增益比水平极化波高37 dbi，同时在yz平面上，垂直极化波也有良好的全向性。其最大增益比水平极化波高12 db，说明在该模式下，天线可良好地辐射垂直极化波，而交叉极化分量很低。
事实上，在两种工作模式下，天线的总体方向图会发生显著变化。在yz和xz两个平面上。天线方向图具有良好的全向性，能尽可能的接受各个方向的来波信号；而在xy平面上，天线在两种状态下的方向图显著不同，最大辐射方向会发生明显改变，并且在这个辐射平面上可以实现良好的互补。故在实际应用中，应根据信号波的方向和强度的不同，来实时改变天线状态，调整方向图的最大辐射方向，以有效地提高天线信号的信噪比，提高通信速率和系统容量。
3 结束语
本文提出了一种用于手持移动设备的可重构天线的设计方法，该天线安装了两个rf-pin开关，可通过一个直流控制电路来控制开关的通断，以使天线工作在垂直极化或水平极化方式，同时也使天线方向图发生变化，从而实现极化方式和方向图的同时重构。仿真结果表明，在两种状态下，该天线的-10 db带宽均可达到240 mhz。而且通过开关状态的切换，还可以使天线在水平和垂直线极化方式之间切换，并使天线辐射方向图的主瓣方向也偏转150°。该天线结构紧凑，面积小，易于制造，可用于移动终端的多天线系统，因此在移动通信系统中有良好的应用价值。
最容易碎屏的三款小米手机，小米mix首当其冲！
小米7发布时间确定_3D人脸识别刘海屏加持_还有小米手环3
光固化首推！纵维立方3D云打印平台成智能化最优选
如何将二进制格式数据在阿里云平台上转换成LoRa节点设备的具体属性
电机功率的计算公式
用于手持移动终端的可重构天线设计
阿斯塔纳航空计划使用A321LR飞机开通上海航线
自动驾驶汽车明年开始爆发 自动驾驶法规从北京开道
电力巡检机器人，以人工智能技术推动坚强电网建设
插件封装技术VS顶部散热封装技术
2020年全球物联网支出达兆美元,软件速度超越硬件,成长率达16.1%
克服升压转换器本身限制的方法
12款2015中美创客大赛酷炫方案让你脑洞大开
厨房小白不会做菜？飞利浦空气炸锅助你轻松当大厨！
大神教你：嵌入式LWIP网络客户端设计
HDMI 1.3标准详解
SMT贴片加工厂生产流水线的各项规定
汽车继电器的安装方法
氢能源依托新能源车与氢燃料结合,不断加快步伐
高通推10nm服务器芯片，能威胁到Intel吗？