方向图可重构宽带准八木天线的设计

王安国，刘 楠，兰 航

(天津大学电子信息工程学院，天津 300072)

随着综合通信系统的快速发展，作为信息出入通道的天线数量也会相应增加，从而增加了综合信息系统的成本及质量，并且在多天线系统中，天线之间存在电磁耦合．可重构天线的应用可以有效提升通信系统的性能[1-2]．随着高性能、低功耗的微电子机械(micro-electro-mechanical systems，MEMS)开关的出现，目前可重构天线研究得以快速发展．其中方向图可重构天线能根据通信环境的变化实时改变发射和接收天线的方向图，从而有效避免噪声干扰，提高系统增益和安全性．另外，方向图可重构天线一般使用一个或很少几个馈电端口，可以避免信号合成过程中的损耗[3]．

对于方向图可重构天线的设计，目前多数设计是在天线的辐射贴片上加载MEMS 或PIN(positiveintrinsic negative)开关，这必然会对天线的辐射性能造成影响．有的设计在实现方向图可重构的同时，阻抗带宽较窄，不能满足现代无线通信系统的需要[4-7]．

笔者以准八木天线为基础，设计了一种方向图可重构的准八木天线．通常准八木天线的有源振子处于介质板的同一侧，需要一个巴仑以实现电流反向．本设计将有源振子中的一个激励臂与接地板相连，充分利用地板上电流的特性，省去了复杂的巴仑，简化了天线结构．该天线可以通过控制开关的通断，分别实现方向图在xoy 平面的4 个指向；同时，天线具有较大的阻抗带宽和频带内增益变化较小等特点．

1 天线设计原理与结构

1.1 准八木天线的原理

印制准八木天线与传统的八木天线结构类似，都是由一根有源振子(激励振子)、反射器和若干无源振子组成．有源振子通常为半波长的偶极子或折合偶极子；无源振子由若干根比有源振子短的引向器组成，同时引向器也是一个输入阻抗匹配元件；反射器通常在有源振子的背面，为部分接地结构．有源振子、引向器和反射器互相平行．准八木天线与传统八木天线最大的不同就是用微带接地板替代了振子反射器．准八木天线克服了八木天线的缺点，不但结构简单、增益高，而且还具有较大的阻抗带宽，目前已经成为人们研究的热点[8-10]．

图1为一个传统准八木天线的结构图．天线需要一个微带线到共面带线的转化．微带线的两臂相差半波长，以使有源振子两臂的输入端有等幅、反向的电流形成差模激励，实际上起一个宽带巴仑的作用，使天线实现定向的方向图．如果电流幅度不等，会造成方向图的畸变；如果电流同向，会造成在空间中的电磁波相互抵消，使匹配性能和辐射效率大大降低[11]．但是由于存在反相器，不仅使得天线结构复杂，而且反相器与地板之间的电磁耦合严重影响了天线的性能，笔者针对这种情况提出了改进方案．

图1 传统的准八木天线的结构示意Fig.1 Structure of common quasi-Yagi antenna

1.2 可重构准八木天线的设计

根据准八木天线设计原理，所设计的可重构准八木天线如图2 所示．

图2 可重构准八木天线的结构Fig.2 Structure of reconfigurable quasi-Yagi antenna

该天线由4 个基本的准八木天线组成．介质板(Ls×Ls)的正面为激励振子的一臂，激励振子的另一臂印制在介质板的背面．4 个基本天线共用一个接地面(Lg×Lg)作为反射器．每个基本天线同时包括两个尺寸相同的引向器，两条平行的带线印制在介质板正反两侧与激励振子的两臂相联．在天线正面，微带线的电流与地板电流相反，从而不需反相器就可以达到差模激励的效果，不仅简化了结构、减小了尺寸，而且更加提高了天线的性能．

天线的馈电方式为单端口背馈．激励振子Ldri设为0.5λeff，引向器Ldir约为0.45λeff，λeff代表谐振频率时的有效波长，激励单元与引向器的距离 L5为0.1λeff～0.2λeff，谐振频率时的有效波长为

式中：c 为光速；fr为天线的谐振频率；εeff为有效介电常数，根据文献[9]

式中 rε为介质板的相对介电常数．

理论上振子宽度W(Wdri和 Wdir)应为[12]

但根据工程经验，通常取振子宽度 W ≈ 0.1λeff．

本文中设计的天线工作频率为5.5,GHz，但根据实际需要，可以改变天线尺寸，使天线工作于其他频率．介质板选用介电常数 rε为2.65、厚度为0.8,mm的聚四氟乙烯，微带馈线的特性阻抗设为50,Ω．在介质板正面，微带馈线通过4个开关(SW1，SW2，SW3，SW4)与馈电点相连；在介质板背面，激励振子的另一臂通过4 个开关(SW,5、SW,6、SW,7、SW,8)与地板相连．开关 SW1、SW2、SW3、SW4 的尺寸均为1.8,mm×1.8,mm，开关SW5,、SW,6、SW,7、SW,8 的尺寸均为1.4,mm×1.4,mm．在仿真中，微电子机械开关可用通断的金属片代替用以证明概念．通过电磁仿真软件对天线的结构参数进行优化，可得到具体参数为：W1＝1.8,mm，W2＝1.4,mm，L1＝14,mm，L2＝10.6,mm，L3＝4.1,mm，L4＝4,mm，L5＝8.6,mm，Ldri＝23.6,mm，Wdri＝1.8,mm，Ldir＝13,mm，Wdir＝2,mm，Lg＝32,mm，Ls＝72,mm．

2 仿真测试结果与分析

根据仿真模型对天线进行制作和测试，图3 为天线的实物照片．

图3 天线的实物照片Fig.3 Photograph of proposed antenna

2.1 测试与仿真结果

将SW1 和SW5 闭合，其他开关断开称为状态1；SW2 和SW8 闭合，其他开关断开称为状态2；SW3 和SW7 闭合，其他开关断开称为状态3；SW4和SW6 闭合，其他开关断开称为状态4；各状态完全对称，各状态S11参数曲线也完全相同．测试采用Agilent E5071B 型网络分析仪，图4 所示为天线仿真与测试S11参数．从图4 中可看出，仿真的工作带宽(S11＜－10,dB)为2.01,GHz(4.78～6.79 GHz)，相对带宽达到34.7%，在5.87,GHz 时，S11＝－41,dB；测试中带宽为1.70,GHz(4.87～6.57,GHz)，相对带宽为29.7%，S11最小值小于－30,dB，仿真与测试结果较为吻合．

图4 天线的仿真与测试的S11参数Fig.4 Simulated and measured S11 for proposed antenna

图5为天线5.87,GHz 时，4 种状态仿真与测试的方向图(xoy 面)．由图5 可以看出，该天线的方向图有较大的增益和较小的后瓣．在仿真时，天线的4种状态主瓣分别指向182°、92°、2°、272°，3,dB 波束宽度为70°，通过控制8 个开关的状态，选择性地对4 个天线单元进行馈电，从而改变天线的电流分布，使天线的方向图依次偏转90°，实现方向图可重构的目的．测试时，方向图的主瓣与仿真结果吻合较好，由于微波暗室密封不严导致后瓣与仿真略有不同．此外，天线的交叉极化较小．

图6为5.87,GHz 时天线状态1 在xoz 面仿真的方向图．图7 为在xoy 面天线状态1 在4.78,GHz 和6.79,GHz 时仿真与测试的方向图．由此可见，天线在全频带上都能辐射定向的方向图，通过控制开关的状态，天线可以在全频带上实现可重构．

图8为天线在工作频带上的增益仿真与测试结果．在工作频带上，天线的仿真增益变化稳定，最大值为7.1,dB，最小值为5.9,dB，变化量为1.2,dB，并且天线增益的测试与仿真结果吻合较好．

图5 5.87,GHz时在xoy 面仿真与测试的方向图Fig.5 Simulated and measured 2D radiation patterns at 5.87,GHz in xoy

图6 5.87,GHz时天线状态1 在xoz 面仿真的方向图Fig.6 Simulated 2D radiation patterns of state-1 at 5.87,GHz Fig.6 in xoz

图7 4.78,GHz和6.79,GHz时天线状态1在xoy 面仿真与测试的方向图Fig.7 Simulated and measured 2D radiation patterns of state-1 at 4.78,GHz and 6.79,GHz in xoy

图8 天线的增益仿真与测试结果Fig.8 Simulated and measured gain of antenna

2.2 参数分析

研究发现，地板尺寸Lg对天线的性能影响尤为突出．Lg的变化，使地板上的电流分布变化，从而影响天线的匹配性能与辐射性能．而且由于地板是反射器，Lg的变化使反射器的尺寸变化，反射器到激励单元的距离也相应变化，也对天线性能产生了影响．图9 为其他参数(L5除外)一定时，Lg变化对带宽的影响．从图9 中可以看出，Lg变化对天线的带宽与匹配性能有较大影响．当Lg从28,mm 增大到32,mm时，天线的带宽与匹配性能变好，谐振频率增加；但当Lg为34,mm 时，天线的带宽与匹配性能又变差，谐振频率也增加．Lg为32,mm 时，天线能达到最优的匹配性能(S11最小值小于－40,dB)和带宽(4.78～6.79,GHz)．

图9 地板尺寸对带宽的影响Fig.9 Influence of ground's size on bandwidth

图10为在5～6.7,GHz 时，当Lg变化时的增益变化．当Lg＝32,mm 时，天线的增益变化较小，且增益较大．图11 为在5～6.7,GHz 时，Lg变化对天线后瓣的影响．后瓣应越小越好，Lg为34,mm 时，在频带大部分范围内能保持较小的后瓣，但后瓣变化过大；Lg为32,mm 时，后瓣大小居中且变化较小．

图10 地板尺寸对增益的影响Fig.10 Influence of ground's size on gain

从分析结果可以看出，接地板尺寸Lg的大小对于天线诸多性能有较大影响．在选择接地板尺寸Lg时，应综合考虑几方面因素．本设计选择 Lg＝32,mm，可以达到较好的性能(带宽、匹配、增益、后瓣)．

3 结 语

提出了一种方向图可重构宽带准八木天线．其在结构上由4 个基本的准八木天线单元组成，且共用一个接地板．对天线结构进行了理论分析，并用电磁仿真软件对天线的结构尺寸进行了优化．随后对天线的频率带宽和方向图进行了仿真与测试，实测与仿真结果吻合较好．该天线具有结构简单、带宽较大、增益变化稳定等特点．通过对开关通断状态的转换，天线的主波瓣方向能在宽频带内依次偏转90°，从而指向4 个方向，该天线结构在新型无线通信系统中有很好的应用潜力．

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