方向图可重构的平面微带天线的设计与实现

汪圣杰，顾涓涓，胡国华

（合肥学院电子系，安徽合肥230601）

方向图可重构的平面微带天线的设计与实现

汪圣杰，顾涓涓，胡国华

（合肥学院电子系，安徽合肥230601）

本文利用HFSS软件对方向图可重构的平面微带天线进行了设计与实现.天线结构是基于传统的偶极子天线以及八木天线，根据差分馈电的原理将天线振子置于介质板的两侧，在地板一侧的振子臂通过PIN二极管开关与地板相连，馈电一侧的阵子臂通过PIN二极管开关与馈电相连.通过组合控制二极管的开关状态即可控制天线单元的工作状态从而实现天线辐射方向图可重构的目的.结果表明天线的回波损耗在中心频点出达到-33dB,-10dB带宽为约为400MHz，相对带宽为16.7%，天线在主辐射方向的增益达到约3.5dB，该天线能够实现4个方向的扫描，具有良好的方向性，适用于无线通信系统中.

方向图可重构，平面微带天线，差分馈电，HFSS

1　引言

天线作为无线通信系统的一个重要组成部分，负责无线通讯信号的传输与接收.它的性能好坏在很大程度上影响整个无线通信系统的性能.当今无线通信技术的发展对天线的性能提出了更高的要求，而可重构天线有着越来越广泛的需求.它将不同的天线功能集成在一副天线上实现，从而有效提高通信系统的性能.方向图可重构天线应用于需要改变信号接收方向的场合，如移动目标的搜索、跟踪等.该类天线可以有效提高系统的安全性，避免噪声干扰，有效抑制多径效应[1].基于此类天线的诸多优点本文对该类天线进行了研究与设计.为了达到天线方向图可重构的目的，开关是必要的元件，通过切换开关的状态从而控制不同天线振子工作，通过此种方法就可以改变天线方向图的指向达到方向图可重构的目的[2-4].

本文中以传统的偶极子天线[5-6]为和八木天线[7-8]为基本单元，基于八木天线具有高增益的特点，在此基础上设计了一副4个方向波束可调且具有增益约为3.5dB的方向图可重构天线.利用差分馈电的原理[9]，将主辐射振子置于介质板两侧，天线结构得到简化，处理如下：在地板一侧的振子臂通过PIN二极管开关与地板相连，馈电一侧的阵子臂通过PIN二极管开关与馈电相连.这样省去了给振子馈电的巴伦结构同时通过组合控制开关的通断状态即可实现天线方向图可重构的目的.

2　天线设计及结构

天线结构的总体结构图如图1（a）所示，图1(b)为天线的正面图，天线的正面有四个天线臂，按正Z轴逆时针旋转排列，这四个臂分别通过开关S1，S2，S3，S4与馈电相连图1 (c)为天线的背面图，其中矩形片为天线的地，在该侧也有四个天线臂，分别通过开关S5，S6，S7，S8与地相连，这个四个天线臂按正Z轴顺时针排列.天线采用从地板穿过孔到正面的同轴馈电的方式.天线采用从地板穿过孔到正面的同轴馈电的方式.

3　天线结果及分析

天线所用的介质基板为FR4板材，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4.所有的天线参数都是在HFSSv13软件中进行优化得到.优化后的天线参数如表1所示.

图1　天线的尺寸图（a）天线总体3D图.（b）天线正面图.(c)天线背面

表1　优化后的天线结构参数

图2　开关组合通断下天线的S11

图2给出了开关组合通断时的天线的回波损耗图.从图中可以看出天线在四种开关通断状态下在2.25GHz-2.65GHz频段内天线都达到了良好匹配，相对带宽达到16.3%.

图3-图6给出了天线在2.4GHz时的远场辐射方向图，其中图3给出的是当开关1和5闭合，其余开关断开时天线在y-z平面内的辐射方向图，从图中可以看出天线具有定向性，在(y-z平面内)角度达到最大增益约3.4dB.图4给出的是当开关2和6闭合，其余开关断开时天线在x-z平面内的辐射方向图，此时天线的方向图较图3发生改变，天线达到最大增益的方向为Phi=0°,Theta=330°(x-z平面内)，最大增益为3.2dB.图5给出的是当开关3和7接通，其余开关断开时天线在平面内的辐射方向图，从图中可以看出此状态下天线的最大增益方向为Phi=0°,Theta=190°(y-z平面内)，增益为3.45dB.图6为当开关4和8接通，其余开关断开时天线的辐射方向图，从图中可以看出此状态下天线的方向图的最大增益方向为Phi=0°,Theta=40°，最大增益3dB.从以上结果可以看出，天线方向图随着组合控制开关状态而变化，实现了设计的初衷，达到天线方向图可改变的目.图7给出了在不同开关组合状态下天线在频段内的增益，由图可知天线在工作频带内有较高的增益，满足实际运用的需求.图8是根据HFSS仿真优化做出的天线的实物图.

图3　开关1和5接通时在2.4GHz天线在y-z面的辐射方向图

图4　开关2和6接通时在2.4GHz天线在x-z面的辐射方向图

图5　开关3和7接通时在2.4GHz天线在y-z面的辐射方向图

图6　开关4和8接通时在2.4GHz天线在x-z面的辐射方向图

图7　开关组合通断时天线在频段内的增益

图8　方向图可重构天线的实物图

4　结论

本文中给出了一款方向图可重构的平面微带天线的设计与实现.同时给出了天线的性能结果，结果表明天线在2.25GHz-2.65GHz频段内达到了良好匹配，并具有较高增益，通过组合控制开关状态，天线的辐射方向图也随之改变，实现了天线方向图可重构目的，该天线能够满足无线通信系统的需求.

〔1〕肖绍求，柏艳英，王秉中，等.基于方向图可重构天线的新型宽角度扫描相控阵[J].微波学报,2010,23(9):113-115.

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TN822

A

1673-260X（2016）03-0057-02

2015-12-28

2015年安徽省高等学校自然科学研究重点项目（KJ2015A164）