【摘 要】
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频率可重构天线因其能够在设备系统中替代多个单功能天线,满足不同的频率需求,所以该类天线是目前使得各类系统小型化的优秀候选者。但对于重构频率跨度较大的天线阵,存在在不同工作频率下选择合适的阵列单元间距困难等难题。此外,传统天线无法与半导体集成,若天线能在片上实现,则可以产生一个完全集成的、低成本的且没有外接组件的射频片上系统。基于此,本文以缝隙天线为基础,针对项目中规定的6 GHz～18 GHz频率
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频率可重构天线因其能够在设备系统中替代多个单功能天线,满足不同的频率需求,所以该类天线是目前使得各类系统小型化的优秀候选者。但对于重构频率跨度较大的天线阵,存在在不同工作频率下选择合适的阵列单元间距困难等难题。此外,传统天线无法与半导体集成,若天线能在片上实现,则可以产生一个完全集成的、低成本的且没有外接组件的射频片上系统。基于此,本文以缝隙天线为基础,针对项目中规定的6 GHz～18 GHz频率范围,并以传统PIN管和硅基固态等离子体表面PIN（Surface PIN,S-PIN）管为重构元件,对频率跨度不低于10GHz的可重构天线阵及芯片天线阵进行研究设计,主要完成的工作如下:1.以H型缝隙为天线单元进行组阵,设计了一款能在C波段和Ku波段实现频率可重构的缝隙天线阵,通过控制8个PIN管的通断,该天线阵的工作频率能在C波段和Ku波段间切换。样件测试结果显示该天线阵在6.4 GHz和17.5 GHz的中心频率处分别达到了4.4 d Bi和7.36 d Bi的增益,且其余特性皆与仿真具备较高的一致性。2.基于理想通断条件,设计了一款能在C波段和Ku波段实现频率可重构的1×4缝隙天线阵,仿真结果显示,该天线阵在6.8 GHz和17.3 GHz的中心频率处分别达到了9.6 d Bi和9.04d Bi的增益,为下一步设计基于固态等离子开关的可重构缝隙芯片天线阵提供了思路。3.基于固态等离子体理论并结合中国电子科技集团公司第五十五研究所的SOI（SiliconOn-Insulator,绝缘硅）工艺,确定S-PIN单元各区域结构的材料和结构参数,并对S-PIN单元的导通与截止特性进行仿真分析。为进一步验证S-PIN单元的通断特性,设计了一款加载S-PIN单元的微带传输线芯片,并完成了样件的流片、微组装和V-A特性及S参数测试。仿真和实测结果显示,所设计的S-PIN传输线具有较为明显的导通与截止特性。4.以上述2中所设计的缝隙天线阵为基础,研究设计加载多个S-PIN单元的频率可重构芯片缝隙天线阵。从芯片单元结构出发,分析了S-PIN单元各区域的功耗以及偏置线的影响,从而进一步得到了C与Ku波段天线阵列各端口的S参数、方向图及增益。仿真结果表明,天线阵在中心频率6.1 GHz和17.5 GHz分别实现了6.79 d Bi和4.37 d Bi的增益。且最终完成了芯片天线阵样件的流片、微组装和测试。
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