一種新型的寬帶方向圖可重構(gòu)天線

作者/ 徐超龍 鄧星成 西安電子科技大學(xué)(陜西 西安 710071)

摘要：本文介紹了一款新穎的PRA(Pattern Reconfigurable Antenna)。天線輻射單元主要由三部分組成：包括矩形驅(qū)動(dòng)貼片，兩個(gè)對(duì)稱的開了CRS(Cross Ring Slot)的半圓形寄生單元以及地平面。兩組p-i-n二極管分別放置在十字形環(huán)縫隙上，通過這兩組p-i-n二極管電開關(guān)將它們連接起來，從而可以實(shí)現(xiàn)輻射方向圖可調(diào)。仿真結(jié)果表明，天線在4.29GHz~4.87GHz頻率范圍內(nèi)S11<-10dB，阻抗帶寬大于500MHz，具備良好的寬帶特性。并且具有三種輻射方向圖，可以通過p-i-n二極管電開關(guān)靈活控制，實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)特性。

引言

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線通信系統(tǒng)對(duì)天線要求越來越高。近年來，天線設(shè)計(jì)朝著大容量、多功能、寬帶寬和小型化方向發(fā)展，其一為了滿足新時(shí)期實(shí)際應(yīng)用需求，其二為了降低產(chǎn)品成本。由于通信系統(tǒng)實(shí)際尺寸越做越小，為了能夠?qū)崿F(xiàn)大容量、多功能和寬帶寬功能，需要考慮減少系統(tǒng)中天線數(shù)量，但同時(shí)又要兼顧多個(gè)天線性能，因此需要考慮可重構(gòu)天線^[1-2]。

　　可重構(gòu)天線是一個(gè)天線或天線陣，通過在天線的適當(dāng)位置加載一些開關(guān)或機(jī)械裝置，來達(dá)到動(dòng)態(tài)改變天線諧振長度或物理結(jié)構(gòu)等，從而使其具有多個(gè)天線所擁有的功能?？芍貥?gòu)天線依據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能不同可分為四類：頻率可重構(gòu)、方向圖可重構(gòu)、極化可重構(gòu)和多種特性混合可重構(gòu)。

　　本文首先介紹PRA(Pattern Reconfigurable Antenna)的應(yīng)用背景及最近的一些研究成果，然后提出自己的設(shè)計(jì)思想，從而設(shè)計(jì)出具有新穎結(jié)構(gòu)的PRA。在設(shè)計(jì)中，利用HFSS(High Frequency Structure Simulator)軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真，為了能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能，對(duì)天線結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了仿真優(yōu)化比較，并對(duì)天線輻射方向圖有較大影響的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，然后結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。

1 方向圖可重構(gòu)原理分析

　　方向圖可重構(gòu)就是在保證極化方式和工作頻率幾乎不變的情況下，通過在天線結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置加載p-i-n二極管或微機(jī)電開關(guān)，來控制地平面或寄生單元電流分布，從而實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)。依據(jù)寄生原理，要實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)，就要改變寄生單元的電流分布。一般情況下，驅(qū)動(dòng)單元與饋線直接相連，寄生單元的電流主要依靠驅(qū)動(dòng)單元感應(yīng)產(chǎn)生。

　　S. Zhang、G.H.Huff、J.Feng等人在文獻(xiàn)[3]中提出了一款線極化方向圖可重構(gòu)寄生陣列天線。天線包括三個(gè)平行微帶線，并在其兩邊的寄生單元上分別對(duì)稱加載了兩個(gè)開關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)，需要控制兩寄生單元上電開關(guān)的開與關(guān)狀態(tài)。可以通過控制寄生單元上電開關(guān)的狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)輻射方向圖可重構(gòu)。Jian Ren、Xi Yang、Jia yuan Yin等人在文獻(xiàn)[4]中提出了另一款新型結(jié)構(gòu)PRA。天線由三部分組成：偶極子貼片、巴倫結(jié)構(gòu)和一系列H型結(jié)構(gòu)單元。H型結(jié)構(gòu)單元均分等距放置在偶極子貼片的兩邊，兩邊分別用二極管相連接，通過切換p-i-n二極管的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同的輻射方向圖。W.S.Kang、J.A.Park和Y.J.Yoon在文獻(xiàn)[5]中提出了一款結(jié)構(gòu)新穎的天線，該天線是單極子天線和具有反射功能對(duì)稱偶極子天線的混合體，通過切換開關(guān)，使所設(shè)計(jì)的天線在這兩類天線之間進(jìn)行切換來實(shí)現(xiàn)波束形狀發(fā)生改變。當(dāng)所有開關(guān)都斷開時(shí)，天線為單極子天線，此時(shí)輻射方向圖是全向的;當(dāng)所有開關(guān)都導(dǎo)通時(shí)，天線為具有反射功能的偶極子天線。

2 PRA設(shè)計(jì)

　　為了增加天線阻抗帶寬，采用平面多模諧振技術(shù)，在矩形驅(qū)動(dòng)貼片的兩非輻射邊對(duì)稱加載兩個(gè)相同的半圓形寄生單元，在半圓形寄生單元上開兩個(gè)對(duì)稱的十字形環(huán)縫隙CRS(Cross Ring Slot )，依據(jù)八木-宇田天線原理，分別在CRS每組縫隙的四個(gè)方向加載開關(guān)，通過控制這兩組開關(guān)工作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)輻射方向圖重構(gòu)。

　　1. PRA結(jié)構(gòu)

　　本章所提出的PRA結(jié)構(gòu)建模如圖1所示。

　　從圖1中可以看出，輻射貼片由矩形驅(qū)動(dòng)貼片、兩個(gè)半圓形寄生單元(分別開有CRS)兩部分組成。矩形驅(qū)動(dòng)貼片和兩半圓形寄生單元放置在Teflon介質(zhì)板上，其介質(zhì)板的介電常數(shù)為3.6，損耗角正切為0.005，介質(zhì)板的厚度為2mm，驅(qū)動(dòng)貼片的尺寸為L×W，為了能夠增加諧振點(diǎn)，兩半圓形(半徑為R2)寄生單元分別等距D1放置在驅(qū)動(dòng)貼片非輻射兩邊。為了能夠加載開關(guān)，在兩個(gè)寄生單元上對(duì)稱開兩個(gè)相同的CRS，其縫隙寬度為SL_W，CRS四個(gè)方向尺寸一致。并在每組縫隙的四個(gè)方向上分別加載1個(gè)p-i-n二極管，二極管模型如圖1中環(huán)縫隙中的小方塊所示。p-i-n二極管型號(hào)為BAR64-02V，通過直流偏置網(wǎng)絡(luò)控制二極管在開與關(guān)兩種狀態(tài)下切換，根據(jù)p-i-n二極管的datasheet，在這兩種狀態(tài)(導(dǎo)通與截止)下，其等效電路模型如圖2所示。

　　2. PRA分析

　　當(dāng)二極管截止時(shí)，可以看作是一個(gè)3kΩ電阻與0.17pF的小電容的并聯(lián);當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，可以看作是一個(gè)阻值很小的電阻，其值為2.1Ω。當(dāng)兩組二極管的工作狀態(tài)不同時(shí)，地輻射貼片平面顯得不對(duì)稱，從而使得天線結(jié)構(gòu)不對(duì)稱。因此，天線輻射方向圖會(huì)發(fā)生改變，這里(圖1(a))我們把+X方向的二極管導(dǎo)通，-X方向的二極管截止為狀態(tài)A;把-X方向的二極管導(dǎo)通，+X方向的二極管截止為狀態(tài)B;當(dāng)兩邊的二極管都處于導(dǎo)通時(shí)為狀態(tài)C。

　　中間矩形驅(qū)動(dòng)貼片的長L主要由天線基本諧振頻率確定，并依據(jù)以下公式可以求得：

　(1)

　　這里c表示光的速度，表示介質(zhì)的有效介電常數(shù)。為使天線具有寬帶特性，我們引入了平面耦合諧振技術(shù)，在驅(qū)動(dòng)貼片的兩非輻射邊增加了兩個(gè)相同的寄生單元，為了使天線結(jié)構(gòu)顯得緊湊，兩寄生單元的形狀為半圓形。在仿真優(yōu)化時(shí)，我們通過調(diào)節(jié)兩半圓形半徑R2和與驅(qū)動(dòng)貼片的距離D1使耦合諧振模式的諧振頻率鄰近基本諧振頻率，從而展寬天線的阻抗帶寬。為了能夠?qū)崿F(xiàn)方向圖重構(gòu)，我們通過外置電路控制CRS上的二極管。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，CRS被導(dǎo)通，寄生單元平面相當(dāng)于未開縫;當(dāng)二極管截止時(shí)，CRS改變了寄生單元表面的電流分布，使得寄生單元的電長度縮短，根據(jù)八木-宇田天線工作原理，該寄生單元相對(duì)驅(qū)動(dòng)貼片變成引向器。天線采用同軸饋電且使用HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行建模并仿真優(yōu)化，優(yōu)化后天線結(jié)構(gòu)各尺寸參數(shù)值如表1所示。

3 天線仿真結(jié)果與分析

　　1. 三種狀態(tài)下天線反射系數(shù)

　　在這三種狀態(tài)(A、B、C)下，天線的反射系數(shù)如圖3所示。

　　從圖3中可以看出，在這三種狀態(tài)下，天線具有很寬的阻抗帶寬，其阻抗帶寬(S11<-10dB)為500MHz以上。這是由于引入了平面耦合諧振技術(shù)，在天線的阻抗帶寬內(nèi)出現(xiàn)了多諧振零點(diǎn)。當(dāng)二極管處于A和B兩種工作狀態(tài)時(shí)，天線反射系數(shù)曲線非常相似，天線阻抗帶寬(S11<-10dB)約為4.23GHz~4.87GHz;當(dāng)二極管處于C工作狀態(tài)時(shí)，天線阻抗帶寬(S11<-10dB)為4.29GHz~4.90GHz，相比A和B兩種工作狀態(tài)，諧振頻率上升了，這可能由于地平面上兩組二極管導(dǎo)通，使得半圓形寄生單元上電流路徑變短，因?yàn)樘岣吡颂炀€的諧振頻率。因此，本文設(shè)計(jì)的PRA在4.29GHz~4.87GHz范圍內(nèi)S11<-10dB，阻抗帶寬大于500MHz。

　　2. 三種狀態(tài)下天線輻射方向圖

　　通過外置直流偏置電路來控制地平面上兩組二極管的工作狀態(tài)，天線具有三類輻射方向圖：偏+X方向輻射、朝+Z軸向輻射和偏-X方向輻射。在4.6GHz工作頻率下，其三種狀態(tài)下的輻射方向圖如圖4所示。

　　當(dāng)兩組二極管處于A狀態(tài)時(shí)，此時(shí)天線右邊的CRS相當(dāng)于一個(gè)引向器，而左邊CRS被導(dǎo)通(不工作)，根據(jù)八木-宇田天線工作原理，天線輻射方向偏-X方向(圖4(a));同理當(dāng)兩組二極管處于B狀態(tài)時(shí)，天線輻射方向偏+X(圖4(b));當(dāng)兩組二極管處于C狀態(tài)時(shí)，天線輻射方向朝上(圖4(c))。A和B兩種狀態(tài)下的交叉極化不是很好，這可能是兩組二極管處于A和B兩種狀態(tài)下，導(dǎo)致輻射貼片平面結(jié)構(gòu)不對(duì)稱引起的。當(dāng)兩組二極管處于C狀態(tài)時(shí)，天線交叉極化很好，這可能跟天線結(jié)構(gòu)對(duì)稱有關(guān)。當(dāng)兩組二極管處于A狀態(tài)時(shí)，天線最大增益為5.7dBi以上;當(dāng)兩組二極管處于B狀態(tài)時(shí)，天線最大增益為5.6dBi以上;當(dāng)兩組二極管處于C狀態(tài)時(shí)，天線最大增益為6.4dBi以上。與A和B兩種狀態(tài)相比，天線處于C狀態(tài)時(shí)具有最大的輻射增益，這是因?yàn)樵贑狀態(tài)下，兩組二極管的工作狀態(tài)保持一致，使得天線結(jié)構(gòu)保持對(duì)稱，且后瓣輻射很小。而在A和B狀態(tài)下，由于兩組二極管的工作狀態(tài)不同，導(dǎo)致天線結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，且有一定的能量朝后輻射，這樣天線最大輻射增益將減少。

4 總結(jié)

　　本文PRA設(shè)計(jì)中，天線具有很好的寬頻帶特性，即帶寬相對(duì)諧振頻率在10%以上。為了能夠激勵(lì)基模附近的模式，設(shè)計(jì)中引入了平面耦合技術(shù)，即在矩形驅(qū)動(dòng)貼片的兩非輻射邊上對(duì)稱加載兩個(gè)相同的半圓，并在兩半圓上開了兩個(gè)相同的CRS，通過調(diào)節(jié)兩寄生單元和驅(qū)動(dòng)貼片的距離，以及兩寄生單元的半徑，從而實(shí)現(xiàn)天線的寬帶性能。然后在寄生單元上開CRS，用二極管等開關(guān)連接起來，通過切換開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)。根據(jù)八木-宇田天線原理，通過控制這些二極管的工作狀態(tài)，可以使CRS導(dǎo)通和截止，從而使引向器的位置可調(diào)，實(shí)現(xiàn)輻射方向圖重構(gòu)。天線結(jié)構(gòu)新穎且具有很好的輻射特性。在三類輻射方向圖重構(gòu)的情況下，仿真得到的天線帶寬在500MHz以上，是一種具有寬帶特性的PRA。

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本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第48頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。