方向圖可重構(gòu)寬帶準(zhǔn)八木天線的設(shè)計

王安國，劉 楠，蘭 航

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

隨著綜合通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，作為信息出入通道的天線數(shù)量也會相應(yīng)增加，從而增加了綜合信息系統(tǒng)的成本及質(zhì)量，并且在多天線系統(tǒng)中，天線之間存在電磁耦合．可重構(gòu)天線的應(yīng)用可以有效提升通信系統(tǒng)的性能[1-2]．隨著高性能、低功耗的微電子機械(micro-electro-mechanical systems，MEMS)開關(guān)的出現(xiàn)，目前可重構(gòu)天線研究得以快速發(fā)展．其中方向圖可重構(gòu)天線能根據(jù)通信環(huán)境的變化實時改變發(fā)射和接收天線的方向圖，從而有效避免噪聲干擾，提高系統(tǒng)增益和安全性．另外，方向圖可重構(gòu)天線一般使用一個或很少幾個饋電端口，可以避免信號合成過程中的損耗[3]．

對于方向圖可重構(gòu)天線的設(shè)計，目前多數(shù)設(shè)計是在天線的輻射貼片上加載MEMS 或PIN(positiveintrinsic negative)開關(guān)，這必然會對天線的輻射性能造成影響．有的設(shè)計在實現(xiàn)方向圖可重構(gòu)的同時，阻抗帶寬較窄，不能滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的需要[4-7]．

筆者以準(zhǔn)八木天線為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種方向圖可重構(gòu)的準(zhǔn)八木天線．通常準(zhǔn)八木天線的有源振子處于介質(zhì)板的同一側(cè)，需要一個巴侖以實現(xiàn)電流反向．本設(shè)計將有源振子中的一個激勵臂與接地板相連，充分利用地板上電流的特性，省去了復(fù)雜的巴侖，簡化了天線結(jié)構(gòu)．該天線可以通過控制開關(guān)的通斷，分別實現(xiàn)方向圖在xoy 平面的4 個指向；同時，天線具有較大的阻抗帶寬和頻帶內(nèi)增益變化較小等特點．

1 天線設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)

1.1 準(zhǔn)八木天線的原理

印制準(zhǔn)八木天線與傳統(tǒng)的八木天線結(jié)構(gòu)類似，都是由一根有源振子(激勵振子)、反射器和若干無源振子組成．有源振子通常為半波長的偶極子或折合偶極子；無源振子由若干根比有源振子短的引向器組成，同時引向器也是一個輸入阻抗匹配元件；反射器通常在有源振子的背面，為部分接地結(jié)構(gòu)．有源振子、引向器和反射器互相平行．準(zhǔn)八木天線與傳統(tǒng)八木天線最大的不同就是用微帶接地板替代了振子反射器．準(zhǔn)八木天線克服了八木天線的缺點，不但結(jié)構(gòu)簡單、增益高，而且還具有較大的阻抗帶寬，目前已經(jīng)成為人們研究的熱點[8-10]．

圖1為一個傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線的結(jié)構(gòu)圖．天線需要一個微帶線到共面帶線的轉(zhuǎn)化．微帶線的兩臂相差半波長，以使有源振子兩臂的輸入端有等幅、反向的電流形成差模激勵，實際上起一個寬帶巴侖的作用，使天線實現(xiàn)定向的方向圖．如果電流幅度不等，會造成方向圖的畸變；如果電流同向，會造成在空間中的電磁波相互抵消，使匹配性能和輻射效率大大降低[11]．但是由于存在反相器，不僅使得天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且反相器與地板之間的電磁耦合嚴重影響了天線的性能，筆者針對這種情況提出了改進方案．

圖1 傳統(tǒng)的準(zhǔn)八木天線的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of common quasi-Yagi antenna

1.2 可重構(gòu)準(zhǔn)八木天線的設(shè)計

根據(jù)準(zhǔn)八木天線設(shè)計原理，所設(shè)計的可重構(gòu)準(zhǔn)八木天線如圖2 所示．

圖2 可重構(gòu)準(zhǔn)八木天線的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of reconfigurable quasi-Yagi antenna

該天線由4 個基本的準(zhǔn)八木天線組成．介質(zhì)板(Ls×Ls)的正面為激勵振子的一臂，激勵振子的另一臂印制在介質(zhì)板的背面．4 個基本天線共用一個接地面(Lg×Lg)作為反射器．每個基本天線同時包括兩個尺寸相同的引向器，兩條平行的帶線印制在介質(zhì)板正反兩側(cè)與激勵振子的兩臂相聯(lián)．在天線正面，微帶線的電流與地板電流相反，從而不需反相器就可以達到差模激勵的效果，不僅簡化了結(jié)構(gòu)、減小了尺寸，而且更加提高了天線的性能．

天線的饋電方式為單端口背饋．激勵振子Ldri設(shè)為0.5λeff，引向器Ldir約為0.45λeff，λeff代表諧振頻率時的有效波長，激勵單元與引向器的距離 L5為0.1λeff～0.2λeff，諧振頻率時的有效波長為

式中：c 為光速；fr為天線的諧振頻率；εeff為有效介電常數(shù)，根據(jù)文獻[9]

式中 rε為介質(zhì)板的相對介電常數(shù)．

理論上振子寬度W(Wdri和 Wdir)應(yīng)為[12]

但根據(jù)工程經(jīng)驗，通常取振子寬度 W ≈ 0.1λeff．

本文中設(shè)計的天線工作頻率為5.5,GHz，但根據(jù)實際需要，可以改變天線尺寸，使天線工作于其他頻率．介質(zhì)板選用介電常數(shù) rε為2.65、厚度為0.8,mm的聚四氟乙烯，微帶饋線的特性阻抗設(shè)為50,?．在介質(zhì)板正面，微帶饋線通過4個開關(guān)(SW1，SW2，SW3，SW4)與饋電點相連；在介質(zhì)板背面，激勵振子的另一臂通過4 個開關(guān)(SW,5、SW,6、SW,7、SW,8)與地板相連．開關(guān) SW1、SW2、SW3、SW4 的尺寸均為1.8,mm×1.8,mm，開關(guān)SW5,、SW,6、SW,7、SW,8 的尺寸均為1.4,mm×1.4,mm．在仿真中，微電子機械開關(guān)可用通斷的金屬片代替用以證明概念．通過電磁仿真軟件對天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，可得到具體參數(shù)為：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 仿真測試結(jié)果與分析

根據(jù)仿真模型對天線進行制作和測試，圖3 為天線的實物照片．

圖3 天線的實物照片F(xiàn)ig.3 Photograph of proposed antenna

2.1 測試與仿真結(jié)果

將SW1 和SW5 閉合，其他開關(guān)斷開稱為狀態(tài)1；SW2 和SW8 閉合，其他開關(guān)斷開稱為狀態(tài)2；SW3 和SW7 閉合，其他開關(guān)斷開稱為狀態(tài)3；SW4和SW6 閉合，其他開關(guān)斷開稱為狀態(tài)4；各狀態(tài)完全對稱，各狀態(tài)S11參數(shù)曲線也完全相同．測試采用Agilent E5071B 型網(wǎng)絡(luò)分析儀，圖4 所示為天線仿真與測試S11參數(shù)．從圖4 中可看出，仿真的工作帶寬(S11＜－10,dB)為2.01,GHz(4.78～6.79 GHz)，相對帶寬達到34.7%，在5.87,GHz 時，S11＝－41,dB；測試中帶寬為1.70,GHz(4.87～6.57,GHz)，相對帶寬為29.7%，S11最小值小于－30,dB，仿真與測試結(jié)果較為吻合．

圖4 天線的仿真與測試的S11參數(shù)Fig.4 Simulated and measured S11 for proposed antenna

圖5為天線5.87,GHz 時，4 種狀態(tài)仿真與測試的方向圖(xoy 面)．由圖5 可以看出，該天線的方向圖有較大的增益和較小的后瓣．在仿真時，天線的4種狀態(tài)主瓣分別指向182°、92°、2°、272°，3,dB 波束寬度為70°，通過控制8 個開關(guān)的狀態(tài)，選擇性地對4 個天線單元進行饋電，從而改變天線的電流分布，使天線的方向圖依次偏轉(zhuǎn)90°，實現(xiàn)方向圖可重構(gòu)的目的．測試時，方向圖的主瓣與仿真結(jié)果吻合較好，由于微波暗室密封不嚴導(dǎo)致后瓣與仿真略有不同．此外，天線的交叉極化較?。?/p>

圖6為5.87,GHz 時天線狀態(tài)1 在xoz 面仿真的方向圖．圖7 為在xoy 面天線狀態(tài)1 在4.78,GHz 和6.79,GHz 時仿真與測試的方向圖．由此可見，天線在全頻帶上都能輻射定向的方向圖，通過控制開關(guān)的狀態(tài)，天線可以在全頻帶上實現(xiàn)可重構(gòu)．

圖8為天線在工作頻帶上的增益仿真與測試結(jié)果．在工作頻帶上，天線的仿真增益變化穩(wěn)定，最大值為7.1,dB，最小值為5.9,dB，變化量為1.2,dB，并且天線增益的測試與仿真結(jié)果吻合較好．

圖5 5.87,GHz時在xoy 面仿真與測試的方向圖Fig.5 Simulated and measured 2D radiation patterns at 5.87,GHz in xoy

圖6 5.87,GHz時天線狀態(tài)1 在xoz 面仿真的方向圖Fig.6 Simulated 2D radiation patterns of state-1 at 5.87,GHz Fig.6 in xoz

圖7 4.78,GHz和6.79,GHz時天線狀態(tài)1在xoy 面仿真與測試的方向圖Fig.7 Simulated and measured 2D radiation patterns of state-1 at 4.78,GHz and 6.79,GHz in xoy

圖8 天線的增益仿真與測試結(jié)果Fig.8 Simulated and measured gain of antenna

2.2 參數(shù)分析

研究發(fā)現(xiàn)，地板尺寸Lg對天線的性能影響尤為突出．Lg的變化，使地板上的電流分布變化，從而影響天線的匹配性能與輻射性能．而且由于地板是反射器，Lg的變化使反射器的尺寸變化，反射器到激勵單元的距離也相應(yīng)變化，也對天線性能產(chǎn)生了影響．圖9 為其他參數(shù)(L5除外)一定時，Lg變化對帶寬的影響．從圖9 中可以看出，Lg變化對天線的帶寬與匹配性能有較大影響．當(dāng)Lg從28,mm 增大到32,mm時，天線的帶寬與匹配性能變好，諧振頻率增加；但當(dāng)Lg為34,mm 時，天線的帶寬與匹配性能又變差，諧振頻率也增加．Lg為32,mm 時，天線能達到最優(yōu)的匹配性能(S11最小值小于－40,dB)和帶寬(4.78～6.79,GHz)．

圖9 地板尺寸對帶寬的影響Fig.9 Influence of ground's size on bandwidth

圖10為在5～6.7,GHz 時，當(dāng)Lg變化時的增益變化．當(dāng)Lg＝32,mm 時，天線的增益變化較小，且增益較大．圖11 為在5～6.7,GHz 時，Lg變化對天線后瓣的影響．后瓣應(yīng)越小越好，Lg為34,mm 時，在頻帶大部分范圍內(nèi)能保持較小的后瓣，但后瓣變化過大；Lg為32,mm 時，后瓣大小居中且變化較?。?/p>

圖10 地板尺寸對增益的影響Fig.10 Influence of ground's size on gain

從分析結(jié)果可以看出，接地板尺寸Lg的大小對于天線諸多性能有較大影響．在選擇接地板尺寸Lg時，應(yīng)綜合考慮幾方面因素．本設(shè)計選擇 Lg＝32,mm，可以達到較好的性能(帶寬、匹配、增益、后瓣)．

3 結(jié) 語

提出了一種方向圖可重構(gòu)寬帶準(zhǔn)八木天線．其在結(jié)構(gòu)上由4 個基本的準(zhǔn)八木天線單元組成，且共用一個接地板．對天線結(jié)構(gòu)進行了理論分析，并用電磁仿真軟件對天線的結(jié)構(gòu)尺寸進行了優(yōu)化．隨后對天線的頻率帶寬和方向圖進行了仿真與測試，實測與仿真結(jié)果吻合較好．該天線具有結(jié)構(gòu)簡單、帶寬較大、增益變化穩(wěn)定等特點．通過對開關(guān)通斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，天線的主波瓣方向能在寬頻帶內(nèi)依次偏轉(zhuǎn)90°，從而指向4 個方向，該天線結(jié)構(gòu)在新型無線通信系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用潛力．

［1］肖紹球，王秉中. 微帶可重構(gòu)天線的初步探討[J]. 電波科學(xué)學(xué)報，2002，17(4)：386-390.Xiao Shaoqiu，Wang Bingzhong. Preliminary research on microstrip reconfigurable antenna[J]. Chinese Journal of Radio Science，2002，17(4)：386-390(in Chinese).

［2］楊雪松，王秉中. 可重構(gòu)天線的研究進展[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2003，25(4)：417-421.Yang Xuesong，Wang Bingzhong. Research on the reconfigurable antennas[J]. Systems Engineering and Electronic，2003，25(4)：417-421(in Chinese).

［3］張 泳. 方向圖可重構(gòu)平面分形天線設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，2006.Zhang Yong. Design of Pattern-Reconfigurable Planar Fractal Antennas[D]. Chengdu ： School of Physical Electrionics ， University of Electronics Science and Technology of China，2006(in Chinese).

［4］王安國，張佳杰，王 鵬. 可重構(gòu)天線的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 電波科學(xué)學(xué)報，2008，23(5)：997-1003.Wang Anguo，Zhang Jiajie，Wang Peng. Recent research and developing trends of reconfigurable antenna[J]. Chinese Journal of Radio Science，2008，23(5)：997-1003 (in Chinese).

［5］Kang W S，Park J A，Yoon Y J. Simple reconfigurable antenna with radiation pattern[J]. Electronics Letters，2008，44(3)：182-183.

［6］Deo P，Mehta A，Mirshekar-Syahkal D，et al. An HISbased spiral antenna for pattern reconfigurable applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2009，8：196-199.

［7］Yang Xuesong，Wang Bingzhong，Zhang Yong. A reconfigurable Hilbert curve patch antenna [C]//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2005：613-616.

［8］Deal W R，Kaneda N，Sor J，et al. A new quasi-Yagi antenna for planar active antenna arrays[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2000，48(6)：910-918.

［9］Kan H K，Waterhouse R B，Abbosh A，et al. Simple broadband planar CPW-Fed quasi-Yagi antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2007，6：18-20.

［10］Zha Guohua，Hong Wei，Wu Ke，et al. Printed quasi-Yagi antenna fed by half mode substrate integrated Waveguide[C]// Proceedings of Asia Pacific Microwave Conference. Macau，China，2008：1-4.

［11］王金洪，王志剛，延 波. 基于LCTT 技術(shù)的Ka 波段印制振子陣列天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報，2010，25(1)：139-141.Wang Jinhong，Wang Zhigang，Yan Bo. Printed dipole array antenna at Ka-band based on LTCC technology[J].Chinese Journal of Radio Science，2010，25(1)：139-141(in Chinese).

［12］倪國旗，高本慶. 一種新型的層疊式介質(zhì)埋藏貼片八木天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報，2009，24(2)：337-340.Ni Guoqi，Gao Benqing. Newly patch Yagi antenna of cascade-dielectric embedded[J]. Chinese Journal of Radio Science，2009，24(2)：337-340(in Chinese)．