一种双频方向图可重构微带天线的设计

王丽黎，李志文

(西安理工大学，陕西 西安 710048)

一种双频方向图可重构微带天线的设计

王丽黎，李志文

(西安理工大学，陕西 西安 710048)

方向图可重构天线具有系统集成度高、能实现方向图的不同方位扫描等突出优点，这使其成为现在可重构天线的研究热点。设计了一种能够双频工作的方向图可重构微带天线，该天线通过切换开关的通断状态，使当前状态的方向图与切换状态后的方向图正交重构，具有结构简单、增益高、波束覆盖角度大的特点。

双频；微带天线；方向图可重构；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

方向图可重构微带天线是在工作频率不变的情况下能够改变方向图主辐射方向的小型化天线。在此类天线发展初期，人们多使用机械装置改变天线整体相对位置或者采用光子带隙结构等方法实现方向图可重构[1-2]。但是这些方法影响因素多，控制系统复杂，对精度要求高，不易调试。如今，方向图可重构天线大多是使用加载开关来实现天线模式的转换，进而改变天线表面的电流分布情况，以此达到方向图可重构的目的。

与传统天线相比，方向图可重构微带天线拥有很多优点,比如它具有微带天线剖面低、重量轻、成本低和易生产的特点[3]，这样能够减少平台上所负载的天线数量与重量，降低系统总体成本，提高无线通信系统容量，扩展系统功能等，在汽车和飞机雷达、无线和卫星通信网络等领域有着广阔应用前景[4]。因此近年来，这方面的研究越来越多。文献[5]设计了一种基于微带双环结构的波束扫描方向图可重构天线，通过开关的通断实现三种工作状态，在中心谐振频率不变的情况下，三种状态的方向图实现重构。文献[6]提出了一种宽角覆盖八爪型方向图可重构天线，该天线能够实现八种工作状态，通过八种状态的依次变换，其重构后的方向图能实现在水平面内的全扫描覆盖。文献[7]给出了一种四扇形方向图可重构天线，通过控制四个扇面的开关闭合，来实现方向图在四个角度位置进行重构。在以上文献的天线结构中，天线的中心频率只有一个，只能进行单一频段的工作。针对这种情况，本文设计了一种能够双频工作的回型结构方向图可重构天线，拓展了天线谐振频点数量，提高了天线适用性和集成度。

1 实现双频的方法

文献[8]给出了两种实现微带天线双频工作的方法：一种是在矩形贴片上对称开两条长度相等的缝隙；另一种是采用分层结构。不过这两种方法都相对复杂，加工不便，且不易调试。文献[9]提到把馈电点放到矩形贴片对角线附近位置，能够同时激励TM01模和TM10模，实现双频工作，这样能够避免矩形贴片开缝隙，简化了微带天线结构。本文设计的微带天线就是采用这种结构实现双频工作，再结合外环回型结构，设计出了一种新颖的双频方向图可重构微带天线。下面的仿真分析采用Ansoft HFSS 13.0进行，给出的天线尺寸是优化后的尺寸，得到了很好的结果。

2 回形结构的双频方向图可重构天线仿真结构图

该微带天线采用介电常数为2.65，厚度为2 mm，大小为68 mm×68 mm(L1=68 mm)的聚四氟乙烯介质板，介质板上是微带天线贴片，如图1所示，黑色部分中间是方形贴片，尺寸为20 mm×20 mm(L3=20 mm)；其上白色圆孔是馈电点，坐标是(7.5 mm,7.0 mm)；外套一个黑色正方形外环贴片，宽度为5 mm,外边长L2=34 mm；中间方形贴片和外环贴片之间的缝隙为2 mm,缝隙中心位置设置四个对称的开关，如上、下、左、右四个黑色小方块所示。当上下开关导通，左右开关断开时定义为模式一；当上下开关断开，左右开关导通时定义为模式二。这样因为模式一和模式二的天线电流流向不用，会造成天线方向图的指向发生变化，下面来进行具体分析。

图1 天线仿真结构俯视图

3 天线S11参数和方向图

3.1整体S11参数对比

两种模式的S11参数对比如图2所示。

图2 两种模式的S11参数对比

从图2中可以看出，天线在模式一和模式二两种模式下，S11曲线几乎重合，且天线有两个谐振点，谐振中心频率分别是2.34 GHz和6.05 GHz，说明所设计的微带天线能够实现双频工作。在这两个谐振点上的回波损耗都远低于-10 dB，满足微带天线谐振点对回波损耗的要求，说明天线在这两个频率工作时阻抗匹配好。

3.2双频点频段细化S11参数对比

图3 中心谐振频率2.34 GHz的S11参数对比

中心谐振频率2.34 Hz的S11参数对比如图3所示。可以看出，2.34 GHz频点的带宽0.03 GHz(即30 MHz)，模式一的回波损耗为-19 dB，模式二的回波损耗-21.7 dB，满足小于-10 dB的要求。

中心谐振频率6.05 GHz的S11参数对比如图4所示。可以看出6.05 GHz频点带宽0.05 GHz(即50 MHz)，模式一的回波损耗为-16.7 dB，模式二的回波损耗为-17 dB，满足小于-10 dB的要求。

图4 中心谐振频率6.05 GHz的S11参数对比

3.3双频点方向图对比

两种模式在谐振点2.34 GHz的方向图如图5所示。可以看出，在谐振点2.34 GHz时，模式一的φ=0°实线在模式二中变成了φ=90°虚线；模式一φ=90°的虚线在模式二中变成了φ=0°的实线。也就是说主辐射方向θ=-1°不变，但是φ角从0°变成了90°，这样两种模式的方向图实现了正交重构。其中模式一最大增益为7.12 dB，半波瓣宽度为81°；模式二最大增益为7.14 dB，半波瓣宽度为84°。

两种模式在谐振点6.05 GHz的方向图如图6所示。可以看出，在谐振点6.05 GHz模式一和模式二的方向图实现了正交重构。其中模式一最大增益为6.98 dB，方向图有两个波瓣，辐射方向为θ=47°，φ=0°时，半波瓣宽度是48°；θ=-47°，φ=0°时，半波瓣宽度是51°；模式二最大增益为7.07 dB，方向图有两个波瓣，辐射方向为θ=47°，φ=90°时，半波瓣宽度是48°；θ=-47°，φ=90°时，半波瓣宽度是51°。

4 结论

由以上的分析可以得出结论：本文所设计的双频方向图可重构天线在两个谐振频点都能实现方向图的正交重构，最大增益都大于6.98 dB，能满足实际应用要求，半波瓣角度大，波束覆盖范围广，结构简单新颖，易于集成。在实际应用中，该微带天线的低频谐振点能够满足TD-SCDMA频段要求，高频谐振点能够用于新一代无线通信系统的开发[10-12]。因此，本文提出的双频方向图可重构天线的两个工作频段具有一定的实际应用价值，值得进一步研究。

图5 模式一和模式二在谐振点2.34 GHz的方向图

图6 模式一和模式二在谐振点6.05 GHz的方向图

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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

王丽黎，李志文.一种双频方向图可重构微带天线的设计[J].微型机与应用，2017,36(18)：89-91.

2017-03-16)

王丽黎(1968-)，女，副教授，硕士生导师，主要研究方向：微波与天线系统、先进导航技术。

李志文 (1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向：微带天线。