一種平面印刷電控波束掃描天線陣

盧忠亮 楊雪霞 譚冠南

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一種平面印刷電控波束掃描天線陣

盧忠亮 楊雪霞*譚冠南

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 上海 200072)

平面天線；波束掃描；差分進(jìn)化；優(yōu)化算法；電控寄生陣列天線

1 引言

隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，用戶數(shù)量和通信信息量劇增，信道間干擾和多徑衰落等問題對(duì)通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量都產(chǎn)生了極大的影響。電控寄生陣列(ESPAR)天線可以將天線方向圖主瓣指向有用信號(hào)方向而將零陷方向指向干擾，從而提高了系統(tǒng)容量，受到越來越多的關(guān)注[1,2]。ESPAR通常由一個(gè)有源天線和若干個(gè)加載了可變電抗的寄生天線構(gòu)成，通過電抗加載來控制方向圖主瓣和零陷的指向。與傳統(tǒng)的相控陣天線相比，ESPAR只有一個(gè)射頻饋電端口，因而具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和更低廉的成本。

ESPAR天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)尺寸的和電抗值兩個(gè)方面，兩者共同影響著天線的性能。由于電抗值與天線參數(shù)之間是非線性和多極值的關(guān)系，因而尋找最優(yōu)電抗值是一個(gè)較為復(fù)雜的優(yōu)化問題。綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)中ESPAR天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，一種是由進(jìn)化算法結(jié)合全波仿真，如文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[5]，需要大量的反復(fù)調(diào)用電磁全波仿真，優(yōu)化時(shí)間較長(zhǎng)；另一種則借助陣列因子計(jì)算天線性能，避免了反復(fù)調(diào)用全波仿真，計(jì)算量小，如文獻(xiàn)[7-11]，這種方法假定不同陣元上的電流分布只是幅度和相位的差別，而不存在形狀的差別，但全波計(jì)算的結(jié)果表明主輻射單元和寄生單元的電流形狀并不一定相同[12]，因而此方法有一定程度的局限性。文獻(xiàn)[13]則利用等效網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合牛頓迭代的方法對(duì)可重構(gòu)孔徑天線進(jìn)行優(yōu)化，可以通過較少的迭代次數(shù)在指定方向?qū)崿F(xiàn)最大輻射或零輻射。

差分進(jìn)化算法(Differential Evolution, DE)由Storn等人[14]于1995年提出，它模擬生物進(jìn)化的隨機(jī)模型，通過反復(fù)迭代，使得那些適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體被保存下來。它具有較強(qiáng)的全局收斂能力和魯棒性，且不需要借助問題的特征信息，適于求解一些利用常規(guī)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法所無法求解的復(fù)雜環(huán)境中的優(yōu)化問題。相對(duì)于大多數(shù)其它的進(jìn)化算法，它更加簡(jiǎn)捷且易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，在各類實(shí)數(shù)參數(shù)的優(yōu)化問題中，DE相對(duì)于其它的進(jìn)化算法均體現(xiàn)出準(zhǔn)確度高、收斂速度快和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成功用于解決非線性優(yōu)化問題[15]。

本文利用等效網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合DE算法對(duì)所設(shè)計(jì)的平面ESPAR天線進(jìn)行優(yōu)化。首先利用電磁全波軟件設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)尺寸，并提取相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。再將結(jié)構(gòu)參數(shù)導(dǎo)入DE算法以搜尋電抗值，這樣優(yōu)化過程中每一次目標(biāo)函數(shù)的獲取不再需要全波計(jì)算，優(yōu)化的效率大大增加，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

2 天線結(jié)構(gòu)和波束掃描原理

2.1 天線結(jié)構(gòu)

2.2 波束掃描原理

其中下標(biāo)和分別代表饋電端口和加載端口。天線饋電端口反射系數(shù)11和遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度()均可用的子矩陣和表示。

圖2 天線陣的3端口網(wǎng)絡(luò)模型

其中1(),2()和3()代表3個(gè)端口各自饋電而其余端口接匹配負(fù)載時(shí)在方向上的遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度。是一個(gè)2維單位矩陣。在這些參數(shù)中，,1(),2()和3()由天線的結(jié)構(gòu)和尺寸決定，而由加載的電抗決定，它們共同影響著天線的性能。

為便于進(jìn)一步分析，將以式(4)中的矩陣求逆項(xiàng)利用Neumann級(jí)數(shù)展開：

表1天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)參數(shù)L0Lrd1d2 設(shè)計(jì)結(jié)果0.570.530.310.31

3 DE算法優(yōu)化電抗值

優(yōu)化算法的目標(biāo)是天線的主輻射方向最接近給定的目標(biāo)值，同時(shí)在工作頻點(diǎn)上的旁瓣電平和反射系數(shù)小于給定的目標(biāo)值。因此目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)為

4 仿真與測(cè)試結(jié)果

圖3是在5.8 GHz工作頻點(diǎn)上平面的仿真和實(shí)測(cè)增益方向圖，可以看到仿真與實(shí)測(cè)的結(jié)果一致性較好，天線的主輻射方向可以在平面內(nèi)從-34°到+38°之間掃描。圖4給出了在狀態(tài)3的主極化和交叉極化仿真方向圖，可見交叉極化相對(duì)于主極化約低了30 dB。天線在各方向上反射系數(shù)的實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果一致性較好，圖5給出了狀態(tài)1下的反射系數(shù)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果。圖6是5種典型狀態(tài)下實(shí)測(cè)的反射系數(shù)隨頻率變化的曲線。可以看到反射系數(shù)小于-10 dB的公共頻率范圍在5.63 ~5.96 GHz之間，帶寬為330 MHz。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線體現(xiàn)了較好的波束掃描性能。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種新穎的平面印刷ESPAR陣列天線，利用DE算法結(jié)合全波仿真軟件和等效網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)天線結(jié)構(gòu)和所需加載的電抗值進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性。測(cè)試結(jié)果表明，在工作頻點(diǎn)上，天線主波束方向可以在平面內(nèi)-34°~38°之間掃描，不同狀態(tài)下天線增益在3.6~4.9 dBi之間變化。不同狀態(tài)下反射系數(shù)小于-10 dB的公共帶寬為330 MHz。天線具有良好的波束掃描性能，設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法準(zhǔn)確高效。

表2 5種典型狀態(tài)下天線加載的電抗值和性能參數(shù)

圖3 5種典型狀態(tài)下xoy平面的增益方向圖

圖4 狀態(tài)3主極化和交叉極化仿真方向圖

圖5 狀態(tài)1仿真與實(shí)測(cè)反射系數(shù)

圖6 5種狀態(tài)下天線的實(shí)測(cè)反射系數(shù)

[1] Sun C, Hirata A, Ohira T,.. Fast beamforming of electronically steerable parasitic array radiator antennas: theory and experiment[J]., 2008, 56(7): 1819-1832.

[2] Lu Jun-wei, Ireland D, and Schlub R. Dielectric embedded ESPAR (DE-ESPAR) antenna array for wireless communications[J]., 2005, 53(8): 2437-2443.

[3] Arceo D and Balanis C A. Design methodology for a reactively loaded Yagi–Uda antenna[J]., 2012, 11: 795-798.

[4] Liu Hai-tao, Gao S, and Loh Tian-hong. Small director array for low-profile smart antennas achieving higher gain[J].,2013, 61(1): 162-168.

[5] Chen Y and Wang C F. Synthesis of reactively controlled antenna arrays using characteristic modes and DE algorithm[J]., 2012, 11: 385-388.

[6] Liu Hai tao, Gao S, and Loh Tian-hong. Electrically small and low cost smart antenna for wireless communication[J]., 2012, 60(3): 1540-1549.

[7] Mitilineos S A, Mougiakos K S, and Thomopoulos S C A. Design and optimization of ESPAR antennas via impedance measurements and a genetic algorithm[J]., 2009, 51(2): 118-123.

[8] Chen W H and Feng Z H. Planar reconfigurable pattern antenna by reactive-load switch[J]., 2005, 47(5): 506-507.

[9] Petit L, Dussopt L, and Laheurte J M. MEMS-switched parasitic-antenna array for radiation pattern diversity[J]., 2006, 54(9): 2624-2631.

[10] Islam M R and Ali M. Elevation plane beam scanning of a novel parasitic array radiator antenna for 1900 MHz mobile handheld terminals[J]., 2010, 58(10): 3344-3352.

[11] Luther J J, Ebadi S, and Gong Xun. A microstrip patch electronically steerable parasitic array radiator (ESPAR) antenna with reactance-tuned coupling and maintained resonance[J]., 2012, 60(4): 1803-1813.

[12] Iigusa K and Ohira T. A simple and accurate mathematical model of electronically steerable parasitic array radiator antennas[C]. Proceedings of the 1st IEEE Consumer Communications and Networking Conference,Las Vegas,2004: 312-315.

[13] Rehmans S and Wallace J W. Optimization of parasitic reconfigurable aperture antennas with a hybrid direct-Newton approach[C]. 2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), Spokane, 2011: 984-987.

[14] Storn R and Price K V. Differential evolution: a simple and efficient heuristic for global optimization over continuous spaces[J]., 1997, 11(4): 341-359.

[15] Das S and Suganthan P N. Differential evolution: a survey of the-state-of-the-art[J]., 2011, 15(1): 4-31.

盧忠亮： 男，1982年生，博士生，研究方向?yàn)榭芍貥?gòu)天線設(shè)計(jì)、智能天線.

楊雪霞： 女，1969年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲炀€、計(jì)算電磁學(xué)、微波輸能.

譚冠南： 男，1988年生，博士生，研究方向?yàn)槲⒉ㄝ斈?、可重?gòu)天線設(shè)計(jì).

A Planar Electronically Controlled Antenna Array with Beam Steering

Lu Zhong-liang Yang Xue-xia Tan Guan-nan

(,,200072,)

A novel planar beam steering parasitic array of planar printed dipoles is proposed, which can be used in the mobile terminals to improve communication quality and system capacity. The main beam can be controlled by the reactive loads on the parasitic elements. The antenna prototype is designed using the software based on the full wave analysis andthe loaded reactance valuesare optimized by the Differential Evolutionary(DE) algorithm.The measured results show that the main beam can be steered from -34°~38° in theplane. At every main radiation direction, the gain at the center frequency is from 3.6~4.9 dBi and the bandwidth of the reflection coefficient less than -10 dB is 330 MHz, which is from 5.63~5.96 GHz. The proposed antenna has good beam steering performance and the optimum design method is accurate and efficient.

Planar Antenna; Beam steering; Differential Evolution (DE); Optimization algorithm; Electronically SteerableParasitic Array Radiator antenna (ESPAR)

TN821+.8

A

1009-5896(2014)06-1515-05

10.3724/SP.J.1146.2013.01214

楊雪霞 xxyang@staff.shu.edu.cn

2013-08-09收到，2013-11-27改回

國(guó)家自然科學(xué)基金(61271062)和上海市特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(08DZ2231100)資助課題