方向圖可重構的平面微帶天線的設計與實現

汪圣杰，顧涓涓，胡國華

（合肥學院電子系，安徽合肥230601）

方向圖可重構的平面微帶天線的設計與實現

汪圣杰，顧涓涓，胡國華

（合肥學院電子系，安徽合肥230601）

本文利用HFSS軟件對方向圖可重構的平面微帶天線進行了設計與實現.天線結構是基于傳統的偶極子天線以及八木天線，根據差分饋電的原理將天線振子置于介質板的兩側，在地板一側的振子臂通過PIN二極管開關與地板相連，饋電一側的陣子臂通過PIN二極管開關與饋電相連.通過組合控制二極管的開關狀態即可控制天線單元的工作狀態從而實現天線輻射方向圖可重構的目的.結果表明天線的回波損耗在中心頻點出達到-33dB,-10dB帶寬為約為400MHz，相對帶寬為16.7%，天線在主輻射方向的增益達到約3.5dB，該天線能夠實現4個方向的掃描，具有良好的方向性，適用于無線通信系統中.

方向圖可重構，平面微帶天線，差分饋電，HFSS

1　引言

天線作為無線通信系統的一個重要組成部分，負責無線通訊信號的傳輸與接收.它的性能好壞在很大程度上影響整個無線通信系統的性能.當今無線通信技術的發展對天線的性能提出了更高的要求，而可重構天線有著越來越廣泛的需求.它將不同的天線功能集成在一副天線上實現，從而有效提高通信系統的性能.方向圖可重構天線應用于需要改變信號接收方向的場合，如移動目標的搜索、跟蹤等.該類天線可以有效提高系統的安全性，避免噪聲干擾，有效抑制多徑效應[1].基于此類天線的諸多優點本文對該類天線進行了研究與設計.為了達到天線方向圖可重構的目的，開關是必要的元件，通過切換開關的狀態從而控制不同天線振子工作，通過此種方法就可以改變天線方向圖的指向達到方向圖可重構的目的[2-4].

本文中以傳統的偶極子天線[5-6]為和八木天線[7-8]為基本單元，基于八木天線具有高增益的特點，在此基礎上設計了一副4個方向波束可調且具有增益約為3.5dB的方向圖可重構天線.利用差分饋電的原理[9]，將主輻射振子置于介質板兩側，天線結構得到簡化，處理如下：在地板一側的振子臂通過PIN二極管開關與地板相連，饋電一側的陣子臂通過PIN二極管開關與饋電相連.這樣省去了給振子饋電的巴倫結構同時通過組合控制開關的通斷狀態即可實現天線方向圖可重構的目的.

2　天線設計及結構

天線結構的總體結構圖如圖1（a）所示，圖1(b)為天線的正面圖，天線的正面有四個天線臂，按正Z軸逆時針旋轉排列，這四個臂分別通過開關S1，S2，S3，S4與饋電相連圖1 (c)為天線的背面圖，其中矩形片為天線的地，在該側也有四個天線臂，分別通過開關S5，S6，S7，S8與地相連，這個四個天線臂按正Z軸順時針排列.天線采用從地板穿過孔到正面的同軸饋電的方式.天線采用從地板穿過孔到正面的同軸饋電的方式.

3　天線結果及分析

天線所用的介質基板為FR4板材，厚度為1.6mm，相對介電常數為4.4.所有的天線參數都是在HFSSv13軟件中進行優化得到.優化后的天線參數如表1所示.

圖1　天線的尺寸圖（a）天線總體3D圖.（b）天線正面圖.(c)天線背面

表1　優化后的天線結構參數

圖2　開關組合通斷下天線的S11

圖2給出了開關組合通斷時的天線的回波損耗圖.從圖中可以看出天線在四種開關通斷狀態下在2.25GHz-2.65GHz頻段內天線都達到了良好匹配，相對帶寬達到16.3%.

圖3-圖6給出了天線在2.4GHz時的遠場輻射方向圖，其中圖3給出的是當開關1和5閉合，其余開關斷開時天線在y-z平面內的輻射方向圖，從圖中可以看出天線具有定向性，在(y-z平面內)角度達到最大增益約3.4dB.圖4給出的是當開關2和6閉合，其余開關斷開時天線在x-z平面內的輻射方向圖，此時天線的方向圖較圖3發生改變，天線達到最大增益的方向為Phi=0°,Theta=330°(x-z平面內)，最大增益為3.2dB.圖5給出的是當開關3和7接通，其余開關斷開時天線在平面內的輻射方向圖，從圖中可以看出此狀態下天線的最大增益方向為Phi=0°,Theta=190°(y-z平面內)，增益為3.45dB.圖6為當開關4和8接通，其余開關斷開時天線的輻射方向圖，從圖中可以看出此狀態下天線的方向圖的最大增益方向為Phi=0°,Theta=40°，最大增益3dB.從以上結果可以看出，天線方向圖隨著組合控制開關狀態而變化，實現了設計的初衷，達到天線方向圖可改變的目.圖7給出了在不同開關組合狀態下天線在頻段內的增益，由圖可知天線在工作頻帶內有較高的增益，滿足實際運用的需求.圖8是根據HFSS仿真優化做出的天線的實物圖.

圖3　開關1和5接通時在2.4GHz天線在y-z面的輻射方向圖

圖4　開關2和6接通時在2.4GHz天線在x-z面的輻射方向圖

圖5　開關3和7接通時在2.4GHz天線在y-z面的輻射方向圖

圖6　開關4和8接通時在2.4GHz天線在x-z面的輻射方向圖

圖7　開關組合通斷時天線在頻段內的增益

圖8　方向圖可重構天線的實物圖

4　結論

本文中給出了一款方向圖可重構的平面微帶天線的設計與實現.同時給出了天線的性能結果，結果表明天線在2.25GHz-2.65GHz頻段內達到了良好匹配，并具有較高增益，通過組合控制開關狀態，天線的輻射方向圖也隨之改變，實現了天線方向圖可重構目的，該天線能夠滿足無線通信系統的需求.

〔1〕肖紹求，柏艷英，王秉中，等.基于方向圖可重構天線的新型寬角度掃描相控陣[J].微波學報,2010,23(9):113-115.

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TN822

A

1673-260X（2016）03-0057-02

2015-12-28

2015年安徽省高等學校自然科學研究重點項目（KJ2015A164）