方向图可重构的多方向光束微带天线

曾 李，凃玲英，丰 励，尹龙川，曲元君

（湖北工业大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068）

0 引言

为了应对各种无线传播问题，例如阴影、多径干扰[1]和能量浪费，通常在射频前端布置智能天线或方向图可重构天线。如果天线可以调整其方向图，使其主波束始终指向移动接收机或发射机，而将其他波束抑制在不需要的方向上，则可以缓解这些传播现象。相控阵天线[2]是最常见的方向图可重构技术，具有多个辐射元件和完善的控制算法，但这样的天线结构复杂、笨重并增加了系统成本和重量，因此，方向图可重构天线具有重要的研究价值。文献[3⁃4]提出一种基于有源频率选择表面（AFSS）的可重构天线，该天线是由蝶形频率可重构馈源和圆柱形AFSS 构成，利用AFSS 对馈源天线激励的电磁波进行空间调控，可实现两个频段的全向和定向波束的切换，但AFSS 结构复杂，加工困难且整体尺寸大，造价高。文献[5]提出用二氧化钒（VO2）作为印刷开关来控制单极子天线的方向图和频率，但该开关的处理需要复杂的制造工艺，进而导致更高的成本。文献[6⁃7]介绍了一种液态金属天线，天线由微流体通道内的液态镓铟合金（EGaIn）组成，通过通道的电压控制，使EGaIn 表面上的氧化物电化学沉积（去除）来降低（增加）其界面张力，进而更改通道中EGaIn 的长度，相应的天线频率、辐射方向图也跟着改变，但控制金属的流速需要较大的直流电流。文献[8]提出一种光开关可重构天线，开关由高阻抗硅片构成，在波长为980 nm 的高功率激光照射下可以改变电导，从而改变天线的方向图和频率，但是开关的导通插入损耗较高且断开隔离度较低。文献[9]提出一种方向图可重构天线，通过使用PIN 二极管重新配置放置在辐射偶极子周围的寄生带状线来反射偶极子下的金属片，可以将天线主波束切换到仰角平面上的5 个方向，但天线使用了20 个PIN 二极管，增加了成本，并且大量的偏置电路容易影响天线的辐射性能。

本文基于常见的八木天线原理[10]，设计出一种光束切换可重构天线，天线工作在5.65～5.95 GHz 频段，通过改变PIN 二极管的开关状态能实现9 个不同位置的辐射光束，在所有模式下均能实现良好的增益，最小增益为7.12 dBi。天线由50 mm2介质基板、5 块金属贴片和4 个二极管组成，因此天线体积小、结构简单，仅使用4 个PIN 二极管进行模式的切换，天线低造价、功耗低且操作简单，可应用于蓝牙、WiFi、WiMAX 等点对点的无线通信系统中。

1 天线结构设计

天线的几何结构如图1 所示。图1a）中：中间的贴片是辐射元件，辐射元件周围4 个贴片作为寄生元件；d是底层矩形地面和介质基板的边长；L，W是辐射元件的长度和宽度；L2，W2是左右2 个寄生元件的长度和宽度；L3，W3是上下2 个寄生元件的长度和宽度；a是SMA馈电点到辐射贴片底边的距离；g是寄生贴片与辐射贴片的气隙距离；D1～D4为开关，详细的开关结构如图1c）所示。

图1 天线模型

微带天线的背面通过50 Ω 的SMA 探头馈电，馈电位置参数a经过优化，可实现所需的输入阻抗。每个寄生元件都有一个连接到天线背面接地平面的开关，该开关可以看作是短路引脚。开关位置距离寄生元件底部v的距离和距离寄生贴片外侧u的距离相同，左右两个寄生元件结构相同，上下两个寄生元件结构相同。寄生元件在短路和开路状态之间切换时，会导致寄生元件的电流密度发生变化，进而影响辐射元件的方向图。因此，当开关激活导通，短路引脚对地短路时，感应电流会从寄生元件流向地面，使得寄生元件对辐射元件起反向器的作用；相反，当开关未激活断开时，感应电流不再流向地面，寄生元件对辐射元件充当引向器的作用。

这种设计天线结构中有4 个开关，因此可以按照4 个开关顺序组合[11]来表示不同的开关模式。例如：模式1000 表示D1处于导通状态，其他开关处于关闭状态；模式1100 表示D1和D2处于导通状态，其他开关处于关闭状态，依此类推。通过组合控制这些开关，可以得到9个定向光束方向图。

2 天线参数分析

采用高频结构仿真软件（HFSS）对天线建模仿真，设定天线的工作频率f=5.85 GHz，介质基板采用泰康利Taconic TLY，其相对介电常数εr=2.2，厚度h=1.6 mm。考虑到PIN 二极管的尺寸，留下变量c作为二极管的空间大小，详细设计参数见表1。

表1 天线的详细参数 mm

使用HFSS 软件设计仿真时，为了获得较为精确的结果，选用文献[12]中BAR50⁃02V 型号的二极管参数，PIN 二极管等效电路可以用HFSS 集总RLC 边界条件建模，用Rf与Lp串联模拟PIN 二极管的导通状态，用Rr和Cr的并联再与Lp串联模拟PIN 二极管的截止状态，等效电路如图2 所示。参数具体值为：正向电阻Rf为3 Ω，反向并联电阻Rr为5 kΩ，二极管电容Cr为0.15 pF，引线电感Lp为0.5 nH。

图2 PIN 二极管的等效电路图

从图1 可以看出，天线的谐振频率和初始辐射光束主要由中间的辐射元件尺寸和馈电位置决定，因此只需分析辐射元件尺寸对天线谐振频率的影响，寄生元件尺寸对辐射光束的影响。设定工作频率为5.85 GHz，借助HFSS 参数扫描功能，分析参数对天线性能的影响。

当开关模式为1111 时，保持天线其他结构参数不变，设置参数W取值范围为16～17 mm，反射系数如图3所示，可知随着W值增大，S参数值越小。

图3 辐射元件W 与S11 的关系

当开关模式为1111 时，保持天线其他结构参数不变，设置参数L取值范围为15.5～16.5 mm，反射系数如图4 所示，可知随着L值增大，谐振频率由高频向低频移动。

图4 辐射元件L 与S11 的关系

当开关模式为0111，φ=270°时，保持天线其他结构参数不变，设置参数W2取值范围为12～16 mm，方向图如图5a）所示，可知随着W2值的增大，方向图主瓣增益减小，旁瓣增益和宽度增加；设置参数L2的取值范围为14～16 mm，方向图如图5b）所示，可知随着L2值的增大，最大增益方向先右偏再转向左偏，L2影响着天线辐射光束的方向性。

图5 寄生元件尺寸对方向图的影响

当开关模式为0111，φ=270°时，保持天线其他结构参数不变，设置参数u取值范围为2～6 mm，方向图如图6a）所示，可知随着u值的增大，方向图主瓣增益增大，旁瓣增益和宽度减小；设置参数v取值范围为2.5～6.5 mm，方向图如图6b）所示，可知随着v值的增大，最大增益方向左偏，降低了寄生元件对辐射光束的作用。

图6 开关短路结构位置对方向图的影响

3 仿真结果分析

图7 显示在9 种开关模式下的回波损耗。可以预测，寄生元件的电流变化只影响辐射元件的辐射方向图，不影响辐射元件的谐振频率，因此天线所有模式的谐振频率基本稳定在5.85 GHz，不受开关变化的影响，但左右寄生元件与上下寄生元件的尺寸不同，导致了一些开关模式的S参数值并不相同。从图中可以看到天线工作在5.65～5.95 GHz 频段，不同开关模式下的反射系数均保持小于-10 dB，这证明该天线具有良好的阻抗匹配性能。

图7 天线在不同模式下的回波损耗仿真值

在图8 中可以看到不同开关模式下天线的表面电流分布，黑色箭头表示不同开关模式下所形成的辐射光束方向。该天线的辐射光束能转动9 个φ角，当开关D1～D4都处于ON 状态时，寄生元件互相平衡，光束沿z轴定向辐射；当开关D1处于OFF 状态，D2～D4处于ON 状态时，辐射方向图在3 个反向器和1 个引向器的作用下，光束转向φ=270°；当开关D1、D4处于OFF 状态，D2、D3处于ON 状态时，辐射方向图在2 个反向器和2 个引向器相互作用下，光束转向φ=225°。类似地，可以将光束转向至其他角度。

图8 天线在不同模式下的电流分布及辐射光束方向

图9 展示了天线在5.85 GHz 时不同开关模式下的辐射光束三维仿真。当φ值取最大辐射方向，辐射光束对应的方向图如图10 所示，特性总结见表2。第一列是开关模式，数字1 代表开关导通，数字0 代表开关断开。最大增益方向在第二列中，表明增益方向有规律地变化。φ值确定之后，天线的辐射方向角θ主要由寄生元件的尺寸、寄生元件与辐射元件的气隙距离和开关短路结构位置决定，优化这些参数可以获得较为理想的倾斜角。第三列是半功率波束宽度（HPBW），其中开关模式1111 的波束宽度为97°，与其他开关模式相差较大，这是因为左右2 个寄生元件当作反向器时作用力大于上下2 个寄生元件的作用力，从天线顶端看辐射光束形成左右短上下长的十字形，因此当φ=0°时方向图的波束宽度较大。天线开关其他模式的波束宽度较为稳定，平均值为57.38°。最后一列显示了天线不同开关模式的最大增益值，可以看出天线有很高的增益，且不同模式下的增益值相差很小。

图9 天线在不同模式下的辐射光束三维仿真

图10 天线在不同模式下的方向图仿真

表2 天线的方向图特性

4 结语

本文提出了一种小型紧凑，多方向性方向图可重构的天线。天线设计基于常见的八木天线原理，主辐射元件被4 个寄生元件包围，并且使用4 个PIN 二极管开关将寄生元件对地短路或开路，寄生元件短路时作为反向器，开路时作为引向器。仿真结果表明，天线工作带宽范围为5.65～5.95 GHz，可以在9 个不同的方向角度上提供波束控制，(φ,θ)=（0°，0°），（270°，22°），（225°，19°），（180°，19°），（135°，21°），（90°，24°），（45°，19°），（0°，19°）和（315°，19°），所有模式实现的增益水平大于7.0 dBi。该天线体积小、制造成本低，简单的平面结构易于组装，可作为WiMAX、WiFi 和Bluetooth 等应用的潜在方案选择，应用在点对点的无线通信系统中。