一種雙頻方向圖可重構(gòu)微帶天線的設(shè)計(jì)

王麗黎，李志文

(西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

一種雙頻方向圖可重構(gòu)微帶天線的設(shè)計(jì)

王麗黎，李志文

(西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

方向圖可重構(gòu)天線具有系統(tǒng)集成度高、能實(shí)現(xiàn)方向圖的不同方位掃描等突出優(yōu)點(diǎn)，這使其成為現(xiàn)在可重構(gòu)天線的研究熱點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一種能夠雙頻工作的方向圖可重構(gòu)微帶天線，該天線通過(guò)切換開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)，使當(dāng)前狀態(tài)的方向圖與切換狀態(tài)后的方向圖正交重構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、增益高、波束覆蓋角度大的特點(diǎn)。

雙頻；微帶天線；方向圖可重構(gòu)；增益

Abstract: The pattern reconfigurable antenna has the advantages of high system integration and different azimuth scanning of the pattern, which makes it be the research hotspot of reconfigurable antenna. In this paper, we design a reconfigurable microstrip antenna with dual frequency operation. By changing states of the switch, the radiation patterns can be orthogonal in two different modes and in two bands. This antenna has the characteristics of simple structure, high gain and high beam coverage angle.

Key words:dual-band; microtrip antenna; pattern reconfigurable; gain

0 引言

方向圖可重構(gòu)微帶天線是在工作頻率不變的情況下能夠改變方向圖主輻射方向的小型化天線。在此類(lèi)天線發(fā)展初期，人們多使用機(jī)械裝置改變天線整體相對(duì)位置或者采用光子帶隙結(jié)構(gòu)等方法實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)[1-2]。但是這些方法影響因素多，控制系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)精度要求高，不易調(diào)試。如今，方向圖可重構(gòu)天線大多是使用加載開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)天線模式的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而改變天線表面的電流分布情況，以此達(dá)到方向圖可重構(gòu)的目的。

與傳統(tǒng)天線相比，方向圖可重構(gòu)微帶天線擁有很多優(yōu)點(diǎn),比如它具有微帶天線剖面低、重量輕、成本低和易生產(chǎn)的特點(diǎn)[3]，這樣能夠減少平臺(tái)上所負(fù)載的天線數(shù)量與重量，降低系統(tǒng)總體成本，提高無(wú)線通信系統(tǒng)容量，擴(kuò)展系統(tǒng)功能等，在汽車(chē)和飛機(jī)雷達(dá)、無(wú)線和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景[4]。因此近年來(lái)，這方面的研究越來(lái)越多。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種基于微帶雙環(huán)結(jié)構(gòu)的波束掃描方向圖可重構(gòu)天線，通過(guò)開(kāi)關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)三種工作狀態(tài)，在中心諧振頻率不變的情況下，三種狀態(tài)的方向圖實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。文獻(xiàn)[6]提出了一種寬角覆蓋八爪型方向圖可重構(gòu)天線，該天線能夠?qū)崿F(xiàn)八種工作狀態(tài)，通過(guò)八種狀態(tài)的依次變換，其重構(gòu)后的方向圖能實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)的全掃描覆蓋。文獻(xiàn)[7]給出了一種四扇形方向圖可重構(gòu)天線，通過(guò)控制四個(gè)扇面的開(kāi)關(guān)閉合，來(lái)實(shí)現(xiàn)方向圖在四個(gè)角度位置進(jìn)行重構(gòu)。在以上文獻(xiàn)的天線結(jié)構(gòu)中，天線的中心頻率只有一個(gè)，只能進(jìn)行單一頻段的工作。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一種能夠雙頻工作的回型結(jié)構(gòu)方向圖可重構(gòu)天線，拓展了天線諧振頻點(diǎn)數(shù)量，提高了天線適用性和集成度。

1 實(shí)現(xiàn)雙頻的方法

文獻(xiàn)[8]給出了兩種實(shí)現(xiàn)微帶天線雙頻工作的方法：一種是在矩形貼片上對(duì)稱(chēng)開(kāi)兩條長(zhǎng)度相等的縫隙；另一種是采用分層結(jié)構(gòu)。不過(guò)這兩種方法都相對(duì)復(fù)雜，加工不便，且不易調(diào)試。文獻(xiàn)[9]提到把饋電點(diǎn)放到矩形貼片對(duì)角線附近位置，能夠同時(shí)激勵(lì)TM01模和TM10模，實(shí)現(xiàn)雙頻工作，這樣能夠避免矩形貼片開(kāi)縫隙，簡(jiǎn)化了微帶天線結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的微帶天線就是采用這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙頻工作，再結(jié)合外環(huán)回型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了一種新穎的雙頻方向圖可重構(gòu)微帶天線。下面的仿真分析采用Ansoft HFSS 13.0進(jìn)行，給出的天線尺寸是優(yōu)化后的尺寸，得到了很好的結(jié)果。

2 回形結(jié)構(gòu)的雙頻方向圖可重構(gòu)天線仿真結(jié)構(gòu)圖

該微帶天線采用介電常數(shù)為2.65，厚度為2 mm，大小為68 mm×68 mm(L1=68 mm)的聚四氟乙烯介質(zhì)板，介質(zhì)板上是微帶天線貼片，如圖1所示，黑色部分中間是方形貼片，尺寸為20 mm×20 mm(L3=20 mm)；其上白色圓孔是饋電點(diǎn)，坐標(biāo)是(7.5 mm,7.0 mm)；外套一個(gè)黑色正方形外環(huán)貼片，寬度為5 mm,外邊長(zhǎng)L2=34 mm；中間方形貼片和外環(huán)貼片之間的縫隙為2 mm,縫隙中心位置設(shè)置四個(gè)對(duì)稱(chēng)的開(kāi)關(guān)，如上、下、左、右四個(gè)黑色小方塊所示。當(dāng)上下開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，左右開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)定義為模式一；當(dāng)上下開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，左右開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)定義為模式二。這樣因?yàn)槟Ｊ揭缓湍Ｊ蕉奶炀€電流流向不用，會(huì)造成天線方向圖的指向發(fā)生變化，下面來(lái)進(jìn)行具體分析。

圖1 天線仿真結(jié)構(gòu)俯視圖

3 天線S11參數(shù)和方向圖

3.1整體S11參數(shù)對(duì)比

兩種模式的S11參數(shù)對(duì)比如圖2所示。

圖2 兩種模式的S11參數(shù)對(duì)比

從圖2中可以看出，天線在模式一和模式二兩種模式下，S11曲線幾乎重合，且天線有兩個(gè)諧振點(diǎn)，諧振中心頻率分別是2.34 GHz和6.05 GHz，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的微帶天線能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻工作。在這兩個(gè)諧振點(diǎn)上的回波損耗都遠(yuǎn)低于-10 dB，滿足微帶天線諧振點(diǎn)對(duì)回波損耗的要求，說(shuō)明天線在這兩個(gè)頻率工作時(shí)阻抗匹配好。

3.2雙頻點(diǎn)頻段細(xì)化S11參數(shù)對(duì)比

圖3 中心諧振頻率2.34 GHz的S11參數(shù)對(duì)比

中心諧振頻率2.34 Hz的S11參數(shù)對(duì)比如圖3所示。可以看出，2.34 GHz頻點(diǎn)的帶寬0.03 GHz(即30 MHz)，模式一的回波損耗為-19 dB，模式二的回波損耗-21.7 dB，滿足小于-10 dB的要求。

中心諧振頻率6.05 GHz的S11參數(shù)對(duì)比如圖4所示。可以看出6.05 GHz頻點(diǎn)帶寬0.05 GHz(即50 MHz)，模式一的回波損耗為-16.7 dB，模式二的回波損耗為-17 dB，滿足小于-10 dB的要求。

圖4 中心諧振頻率6.05 GHz的S11參數(shù)對(duì)比

3.3雙頻點(diǎn)方向圖對(duì)比

兩種模式在諧振點(diǎn)2.34 GHz的方向圖如圖5所示。可以看出，在諧振點(diǎn)2.34 GHz時(shí)，模式一的φ=0°實(shí)線在模式二中變成了φ=90°虛線；模式一φ=90°的虛線在模式二中變成了φ=0°的實(shí)線。也就是說(shuō)主輻射方向θ=-1°不變，但是φ角從0°變成了90°，這樣兩種模式的方向圖實(shí)現(xiàn)了正交重構(gòu)。其中模式一最大增益為7.12 dB，半波瓣寬度為81°；模式二最大增益為7.14 dB，半波瓣寬度為84°。

兩種模式在諧振點(diǎn)6.05 GHz的方向圖如圖6所示。可以看出，在諧振點(diǎn)6.05 GHz模式一和模式二的方向圖實(shí)現(xiàn)了正交重構(gòu)。其中模式一最大增益為6.98 dB，方向圖有兩個(gè)波瓣，輻射方向?yàn)棣?47°，φ=0°時(shí)，半波瓣寬度是48°；θ=-47°，φ=0°時(shí)，半波瓣寬度是51°；模式二最大增益為7.07 dB，方向圖有兩個(gè)波瓣，輻射方向?yàn)棣?47°，φ=90°時(shí)，半波瓣寬度是48°；θ=-47°，φ=90°時(shí)，半波瓣寬度是51°。

4 結(jié)論

由以上的分析可以得出結(jié)論：本文所設(shè)計(jì)的雙頻方向圖可重構(gòu)天線在兩個(gè)諧振頻點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)方向圖的正交重構(gòu)，最大增益都大于6.98 dB，能滿足實(shí)際應(yīng)用要求，半波瓣角度大，波束覆蓋范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎，易于集成。在實(shí)際應(yīng)用中，該微帶天線的低頻諧振點(diǎn)能夠滿足TD-SCDMA頻段要求，高頻諧振點(diǎn)能夠用于新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[10-12]。因此，本文提出的雙頻方向圖可重構(gòu)天線的兩個(gè)工作頻段具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，值得進(jìn)一步研究。

圖5 模式一和模式二在諧振點(diǎn)2.34 GHz的方向圖

圖6 模式一和模式二在諧振點(diǎn)6.05 GHz的方向圖

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Design of a dual-band pattern reconfigurable microstrip antenna

Wang Lili, Li Zhiwen

(Xi’an University of Technology, Xi’an710048, China)

TN823

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.026

王麗黎，李志文.一種雙頻方向圖可重構(gòu)微帶天線的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(18)：89-91.

2017-03-16)

王麗黎(1968-)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：微波與天線系統(tǒng)、先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)。

李志文 (1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：微帶天線。