一种新型的宽带方向图可重构天线

作者/ 徐超龙 邓星成 西安电子科技大学(陕西 西安 710071)

摘要：本文介绍了一款新颖的PRA(Pattern Reconfigurable Antenna)。天线辐射单元主要由三部分组成：包括矩形驱动贴片，两个对称的开了CRS(Cross Ring Slot)的半圆形寄生单元以及地平面。两组p-i-n二极管分别放置在十字形环缝隙上，通过这两组p-i-n二极管电开关将它们连接起来，从而可以实现辐射方向图可调。仿真结果表明，天线在4.29GHz~4.87GHz频率范围内S11<-10dB，阻抗带宽大于500MHz，具备良好的宽带特性。并且具有三种辐射方向图，可以通过p-i-n二极管电开关灵活控制，实现方向图可重构特性。

引言

　　进入21世纪以来，随着现代科学技术的发展，无线通信系统对天线要求越来越高。近年来，天线设计朝着大容量、多功能、宽带宽和小型化方向发展，其一为了满足新时期实际应用需求，其二为了降低产品成本。由于通信系统实际尺寸越做越小，为了能够实现大容量、多功能和宽带宽功能，需要考虑减少系统中天线数量，但同时又要兼顾多个天线性能，因此需要考虑可重构天线^[1-2]。

　　可重构天线是一个天线或天线阵，通过在天线的适当位置加载一些开关或机械装置，来达到动态改变天线谐振长度或物理结构等，从而使其具有多个天线所拥有的功能。可重构天线依据实现的功能不同可分为四类：频率可重构、方向图可重构、极化可重构和多种特性混合可重构。

　　本文首先介绍PRA(Pattern Reconfigurable Antenna)的应用背景及最近的一些研究成果，然后提出自己的设计思想，从而设计出具有新颖结构的PRA。在设计中，利用HFSS(High Frequency Structure Simulator)软件对天线进行仿真，为了能够实现所需功能，对天线结构尺寸进行了仿真优化比较，并对天线辐射方向图有较大影响的参数进行了详细分析，然后结合仿真结果进行分析总结。

1 方向图可重构原理分析

　　方向图可重构就是在保证极化方式和工作频率几乎不变的情况下，通过在天线结构的适当位置加载p-i-n二极管或微机电开关，来控制地平面或寄生单元电流分布，从而实现方向图可重构。依据寄生原理，要实现方向图可重构，就要改变寄生单元的电流分布。一般情况下，驱动单元与馈线直接相连，寄生单元的电流主要依靠驱动单元感应产生。

　　S. Zhang、G.H.Huff、J.Feng等人在文献[3]中提出了一款线极化方向图可重构寄生阵列天线。天线包括三个平行微带线，并在其两边的寄生单元上分别对称加载了两个开关，为了实现方向图可重构，需要控制两寄生单元上电开关的开与关状态。可以通过控制寄生单元上电开关的状态，来实现辐射方向图可重构。Jian Ren、Xi Yang、Jia yuan Yin等人在文献[4]中提出了另一款新型结构PRA。天线由三部分组成：偶极子贴片、巴伦结构和一系列H型结构单元。H型结构单元均分等距放置在偶极子贴片的两边，两边分别用二极管相连接，通过切换p-i-n二极管的工作状态，实现不同的辐射方向图。W.S.Kang、J.A.Park和Y.J.Yoon在文献[5]中提出了一款结构新颖的天线，该天线是单极子天线和具有反射功能对称偶极子天线的混合体，通过切换开关，使所设计的天线在这两类天线之间进行切换来实现波束形状发生改变。当所有开关都断开时，天线为单极子天线，此时辐射方向图是全向的;当所有开关都导通时，天线为具有反射功能的偶极子天线。

2 PRA设计

　　为了增加天线阻抗带宽，采用平面多模谐振技术，在矩形驱动贴片的两非辐射边对称加载两个相同的半圆形寄生单元，在半圆形寄生单元上开两个对称的十字形环缝隙CRS(Cross Ring Slot )，依据八木-宇田天线原理，分别在CRS每组缝隙的四个方向加载开关，通过控制这两组开关工作状态来实现辐射方向图重构。

　　1. PRA结构

　　本章所提出的PRA结构建模如图1所示。

　　从图1中可以看出，辐射贴片由矩形驱动贴片、两个半圆形寄生单元(分别开有CRS)两部分组成。矩形驱动贴片和两半圆形寄生单元放置在Teflon介质板上，其介质板的介电常数为3.6，损耗角正切为0.005，介质板的厚度为2mm，驱动贴片的尺寸为L×W，为了能够增加谐振点，两半圆形(半径为R2)寄生单元分别等距D1放置在驱动贴片非辐射两边。为了能够加载开关，在两个寄生单元上对称开两个相同的CRS，其缝隙宽度为SL_W，CRS四个方向尺寸一致。并在每组缝隙的四个方向上分别加载1个p-i-n二极管，二极管模型如图1中环缝隙中的小方块所示。p-i-n二极管型号为BAR64-02V，通过直流偏置网络控制二极管在开与关两种状态下切换，根据p-i-n二极管的datasheet，在这两种状态(导通与截止)下，其等效电路模型如图2所示。

　　2. PRA分析

　　当二极管截止时，可以看作是一个3kΩ电阻与0.17pF的小电容的并联;当二极管导通时，可以看作是一个阻值很小的电阻，其值为2.1Ω。当两组二极管的工作状态不同时，地辐射贴片平面显得不对称，从而使得天线结构不对称。因此，天线辐射方向图会发生改变，这里(图1(a))我们把+X方向的二极管导通，-X方向的二极管截止为状态A;把-X方向的二极管导通，+X方向的二极管截止为状态B;当两边的二极管都处于导通时为状态C。

　　中间矩形驱动贴片的长L主要由天线基本谐振频率确定，并依据以下公式可以求得：

　(1)

　　这里c表示光的速度，表示介质的有效介电常数。为使天线具有宽带特性，我们引入了平面耦合谐振技术，在驱动贴片的两非辐射边增加了两个相同的寄生单元，为了使天线结构显得紧凑，两寄生单元的形状为半圆形。在仿真优化时，我们通过调节两半圆形半径R2和与驱动贴片的距离D1使耦合谐振模式的谐振频率邻近基本谐振频率，从而展宽天线的阻抗带宽。为了能够实现方向图重构，我们通过外置电路控制CRS上的二极管。当二极管导通时，CRS被导通，寄生单元平面相当于未开缝;当二极管截止时，CRS改变了寄生单元表面的电流分布，使得寄生单元的电长度缩短，根据八木-宇田天线工作原理，该寄生单元相对驱动贴片变成引向器。天线采用同轴馈电且使用HFSS软件对天线进行建模并仿真优化，优化后天线结构各尺寸参数值如表1所示。

3 天线仿真结果与分析

　　1. 三种状态下天线反射系数

　　在这三种状态(A、B、C)下，天线的反射系数如图3所示。

　　从图3中可以看出，在这三种状态下，天线具有很宽的阻抗带宽，其阻抗带宽(S11<-10dB)为500MHz以上。这是由于引入了平面耦合谐振技术，在天线的阻抗带宽内出现了多谐振零点。当二极管处于A和B两种工作状态时，天线反射系数曲线非常相似，天线阻抗带宽(S11<-10dB)约为4.23GHz~4.87GHz;当二极管处于C工作状态时，天线阻抗带宽(S11<-10dB)为4.29GHz~4.90GHz，相比A和B两种工作状态，谐振频率上升了，这可能由于地平面上两组二极管导通，使得半圆形寄生单元上电流路径变短，因为提高了天线的谐振频率。因此，本文设计的PRA在4.29GHz~4.87GHz范围内S11<-10dB，阻抗带宽大于500MHz。

　　2. 三种状态下天线辐射方向图

　　通过外置直流偏置电路来控制地平面上两组二极管的工作状态，天线具有三类辐射方向图：偏+X方向辐射、朝+Z轴向辐射和偏-X方向辐射。在4.6GHz工作频率下，其三种状态下的辐射方向图如图4所示。

　　当两组二极管处于A状态时，此时天线右边的CRS相当于一个引向器，而左边CRS被导通(不工作)，根据八木-宇田天线工作原理，天线辐射方向偏-X方向(图4(a));同理当两组二极管处于B状态时，天线辐射方向偏+X(图4(b));当两组二极管处于C状态时，天线辐射方向朝上(图4(c))。A和B两种状态下的交叉极化不是很好，这可能是两组二极管处于A和B两种状态下，导致辐射贴片平面结构不对称引起的。当两组二极管处于C状态时，天线交叉极化很好，这可能跟天线结构对称有关。当两组二极管处于A状态时，天线最大增益为5.7dBi以上;当两组二极管处于B状态时，天线最大增益为5.6dBi以上;当两组二极管处于C状态时，天线最大增益为6.4dBi以上。与A和B两种状态相比，天线处于C状态时具有最大的辐射增益，这是因为在C状态下，两组二极管的工作状态保持一致，使得天线结构保持对称，且后瓣辐射很小。而在A和B状态下，由于两组二极管的工作状态不同，导致天线结构不对称，且有一定的能量朝后辐射，这样天线最大辐射增益将减少。

4 总结

　　本文PRA设计中，天线具有很好的宽频带特性，即带宽相对谐振频率在10%以上。为了能够激励基模附近的模式，设计中引入了平面耦合技术，即在矩形驱动贴片的两非辐射边上对称加载两个相同的半圆，并在两半圆上开了两个相同的CRS，通过调节两寄生单元和驱动贴片的距离，以及两寄生单元的半径，从而实现天线的宽带性能。然后在寄生单元上开CRS，用二极管等开关连接起来，通过切换开关状态来实现方向图可重构。根据八木-宇田天线原理，通过控制这些二极管的工作状态，可以使CRS导通和截止，从而使引向器的位置可调，实现辐射方向图重构。天线结构新颖且具有很好的辐射特性。在三类辐射方向图重构的情况下，仿真得到的天线带宽在500MHz以上，是一种具有宽带特性的PRA。

参考文献:

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　　[2]Yi Huang, Kevin Boyle. Antennas: from theory to practice[M].A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, 2008.

　　[3]S. Zhang,G. H. Huff,J. Feng. A pattern reconfigurable microstrip parasitic array[J].Ieee transactions on antennas and propagation. 2004,52:2773-2776.

　　[4]Jian Ren,Xi Yang,Jiayuan Yin, et al.A novel antenna with reconfigurable patterns using H-Shaped structures[J].Ieee antennas and wireless propagation letters. 2015,14:915-918.

　　[5]W.S. Kang, J.A. Park and Y.J. Yoon. Simple reconfigurable antenna with radiation pattern[J]. Electronics letters. 2008,44.

　　[6]W.-L. Liu,T.-R. Chen,S.-H. Chen,et al. Reconfigurable microstrip antenna with pattern and polarisation diversities [J]. Electronics letters. 2007,43.

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本文来源于《电子产品世界》2017年第1期第48页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。