頻率方向圖復(fù)合可重構(gòu)寄生單極子天線陣列

孫佳文 陳文華 馮正和 趙凱南

(清華大學(xué)電子系，北京 100084)

1.引 言

無線通訊系統(tǒng)的迅猛發(fā)展以及移動用戶的快速增長，迫切需要在目前移動通信系統(tǒng)頻譜劃分的基礎(chǔ)上能夠開發(fā)出一種更加有效的通訊網(wǎng)絡(luò)來增加整個系統(tǒng)的容量。目前通訊系統(tǒng)需要解決許多難點問題，例如多徑衰落、電磁兼容以及頻率復(fù)用等問題。開關(guān)寄生天線能夠?qū)崿F(xiàn)頻率、方向圖及極化的可重構(gòu)，因而可以很好地解決上述問題。

與經(jīng)典的自適應(yīng)天線不同，開關(guān)可重構(gòu)天線僅需一個射頻通道就可以提供多個方向圖，并且在射頻通道上不需要射頻開關(guān)或者移相器，天線成本較低且非常穩(wěn)定比有源天線陣列更適合于無線通信[1-7]。國內(nèi)的研究主要集中于平面微帶天線的可重構(gòu)[11-13]。目前，相關(guān)的設(shè)計人員主要研究設(shè)計頻率、極化及方向圖可重構(gòu)中的一種類型[6-10]，而如何實現(xiàn)天線復(fù)合可重構(gòu)的研究相對較少[14-15]，主要是由于復(fù)合可重構(gòu)通常需要設(shè)計復(fù)雜的結(jié)構(gòu)并且天線的復(fù)合性能很難實現(xiàn)。

作者早期提出了一種方向圖可重構(gòu)的介質(zhì)支撐型開關(guān)寄生陣列天線[16]，通過引入介質(zhì)支撐型結(jié)構(gòu)不僅減小了天線陣列的尺寸且對天線增益的影響較小，同時增強了天線陣列結(jié)構(gòu)性能的穩(wěn)定性，并設(shè)計了對應(yīng)的控制電路實現(xiàn)了波束掃描。

在以上研究基礎(chǔ)上，通過在中心有源天線單元上引入開關(guān)結(jié)構(gòu)，并在以中心有源單元為圓心的不同半徑的圓周上對稱地引入不同長度的寄生天線單元，提出了一種新型的頻率及方向圖復(fù)合可重構(gòu)寄生單極子陣列天線。陣列天線的中心單元通過開關(guān)切換改變長度，實現(xiàn)了寄生陣列天線的頻率可重構(gòu)；對于不同的工作頻率，選擇對應(yīng)的一組寄生單極子單元所接對地開關(guān)順序?qū)?，就可以實現(xiàn)陣列天線的波束掃描，實現(xiàn)方向圖的可重構(gòu)。此外，通過在中心天線單元旁邊引入地支結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了分布式加載，改善了天線的阻抗匹配，拓寬了工作帶寬。文中設(shè)計了移動通信頻段的復(fù)合可重構(gòu)天線，利用HFSS軟件進行了電性能分析，并制作了實驗?zāi)Ｐ?，其中模型中的開關(guān)導(dǎo)通時暫用金屬帶代替，斷開時就什么都不加。計算和實驗結(jié)果表明：天線陣列可以在保證回波損耗小于 -10 dB的情況下覆蓋DCS(1710～1880 MHz)、PCS(1850～1990 MHz)及WLANs(2400～2480 MHz)三個移動通信頻段，并可以方便地實現(xiàn)頻率切換及方向圖掃描。

2.開關(guān)寄生陣列天線理論分析

圖1所示為一種典型的三單元開關(guān)寄生陣列天線，由三個單極子天線組成，其中中間單元為有源單元，兩側(cè)的天線單元通過單刀雙擲開關(guān)與地連接。當(dāng)兩側(cè)的天線單元一個短路，一個開路，就可以得到單向輻射的方向圖，利用單刀雙擲開關(guān)切換就可實現(xiàn)方向圖的180度波束切換。

圖1 三單元開關(guān)寄生陣列天線

對于N單元的寄生陣列天線，其陣列方程可表述為下式

(1)

(2)

而此類天線的工作頻率主要取決于中心有源單元的長度，因此，基于上述理論，提出了新型的介質(zhì)支撐型頻率方向圖復(fù)合可重構(gòu)寄生單極子陣列天線。

3.陣列天線結(jié)構(gòu)

圖2給出了一個頻率方向圖復(fù)合可重構(gòu)寄生單極子天線陣列的仿真模型，它由中心的有源單極子單元和兩組長度的12個對稱分布的寄生單極子單元構(gòu)成。有源單極子單元從圓形地面的中心饋電，在其中間加一個開關(guān)用來實現(xiàn)頻率的可重構(gòu)，而兩組寄生單元分別對應(yīng)不同的工作頻率，都通過末端的開關(guān)接地。頻率切換就可以通過控制中心單元開關(guān)的狀態(tài)來實現(xiàn)。而方向圖可重構(gòu)可以通過選定與工作頻率對應(yīng)的一組寄生單元的開關(guān)通斷來實現(xiàn)。

整個天線陣列的結(jié)構(gòu)可以看成是由三片介質(zhì)支撐板構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖和具體尺寸如圖3所示。所有線結(jié)構(gòu)，介質(zhì)板的厚度為0.8 mm，背面不覆銅，相對介電常數(shù)為2.65.

圖2 復(fù)合可重構(gòu)天線陣列仿真模型

(a)

(b)圖3 介質(zhì)支撐天線陣列單片的結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

單極子單元均是印制在介質(zhì)板上的單面的平面微帶開關(guān)寄生天線陣列的輻射機理類似于經(jīng)典的Yagi-Uda 天線。在我們設(shè)計的開關(guān)寄生天線陣列中，有源單元和寄生單元間的耦合作用使得通過開關(guān)短路的寄生單極子單元對中心有源單元起到了反射器的作用，而對地開路的開關(guān)寄生單元幾乎對天線陣列的性能沒有任何影響。由于寄生單極子單元通過開關(guān)對地不是短路就是開路，并且短路的時候起反射器的作用而開路則沒有影響，在方向圖可重構(gòu)過程中只需要考慮對地短路的寄生單元。

頻率方向圖復(fù)合可重構(gòu)天線的工作機理如下：

開關(guān)P0的通斷控制頻率的可重構(gòu)，當(dāng)P0導(dǎo)通時，中心有源單元的長度變長，天線工作在較低的頻率；而反之，當(dāng)P0斷開時，天線工作在較高的頻率。P0的位置決定了高低頻率的比值；

當(dāng)開關(guān)P0斷開時，天線工作在較高頻率，保持外圍所有開關(guān)P2斷開，通過控制內(nèi)圍開關(guān)P1的通斷就可以實現(xiàn)高頻率的方向圖可重構(gòu)；

當(dāng)開關(guān)P0導(dǎo)通時，天線工作在較低頻率，保持內(nèi)圍所有開關(guān)P1斷開，通過控制外圍開關(guān)P2的通斷就可以實現(xiàn)低頻率的方向圖可重構(gòu)。

為了更好地改善天線的輻射性能及縮小尺寸，有源單元和寄生單元之間的距離通過軟件優(yōu)化到比通常四分之一波長更短的間距。文章中所引入的地支結(jié)構(gòu)，能適度地改善陣列天線的阻抗匹配，提高工作帶寬，具體見圖4。通過地支長度的掃描可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)刂чL度為20 mm附近時，天線可以取得最佳的阻抗匹配。

(a) 天線反射系數(shù)隨地支高度的變化

(b) 地支對天線反射系數(shù)的影響圖4 天線阻抗匹配與地支的關(guān)系

3.天線系統(tǒng)的實驗性能分析

基于上述的分析，我們設(shè)計制作頻率方向圖復(fù)合可重構(gòu)寄生單極子天線陣列的實驗?zāi)Ｐ汀Ｓ捎谔炀€整體的開關(guān)較多，如果加上實際開關(guān)及控制電路，天線系統(tǒng)相對過于復(fù)雜，這里我們用金屬帶來代替理想開關(guān)導(dǎo)通，實驗?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

圖5 天線陣列的實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖6 測量的反射系數(shù)

圓形地面的半徑為4.5 cm，厚度0.8 mm，地支高度選取21 mm。圖6給出了頻率可重構(gòu)狀態(tài)下所測量的回波損耗。圖中狀態(tài)1和狀態(tài)2分別代表開關(guān)P0的導(dǎo)通和斷開，即頻率可重構(gòu)的低頻高頻切換。從測量結(jié)果可以看出，在保證S11<-10 dB的條件下，對于低工作頻率(狀態(tài)1)，該天線的阻抗帶寬為300 MHz(1.72～2.02 GHz)，滿足了移動通信的DCS和PCS頻段要求。對于高工作頻率，該天線的阻抗帶寬達到了400 MHz(2.27～2.67 GHz)，滿足了WLANs頻段及其他的通信要求。

圖7和圖8分別給出了在中心頻率1.85 GHz和2.45 GHz處該天線陣列所測量的E面(theta=0°)和H面(開關(guān)導(dǎo)通所對應(yīng)的phi角度)方向圖。由于天線的寄生單元都是繞圓心對稱分布的，其每個寄生單元接地所對應(yīng)的方向圖也是對稱分布的，因此，圖中僅給出不同頻率切換時相鄰兩個開關(guān)分別導(dǎo)通時所測量的方向圖(1.85 GHz對應(yīng)開關(guān)P2和P21分別導(dǎo)通，而2.45 GHz對應(yīng)開關(guān)P1和P11分別導(dǎo)通，開關(guān)編號見圖2)。測量表明：天線陣列可以在兩個頻段下良好地實現(xiàn)方向圖的可重構(gòu)即波束掃描。

圖7 1.85 GHz E面和H面的波束掃描方向圖

圖8 2.45 GHz E面和H面的波束掃描方向圖

5.結(jié) 論

提出并實驗驗證了一個新穎的介質(zhì)支撐型頻率方向圖復(fù)合可重構(gòu)單極子開關(guān)寄生陣列天線。天線陣列可以在頻率切換的基礎(chǔ)上實現(xiàn)波束掃描。所引入的地支結(jié)構(gòu)有效地改善了阻抗匹配，展寬了頻帶寬度。天線可以覆蓋多個移動通信頻段，具有很大的應(yīng)用前途。

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