方向圖可重構(gòu)的平面準(zhǔn)八木天線的設(shè)計與實現(xiàn)

汪圣杰，顧涓涓，胡國華

(合肥學(xué)院 電子信息與電氣工程工程系，合肥　230601)

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方向圖可重構(gòu)的平面準(zhǔn)八木天線的設(shè)計與實現(xiàn)

汪圣杰，顧涓涓，胡國華

(合肥學(xué)院 電子信息與電氣工程工程系，合肥230601)

摘要：通信系統(tǒng)的快速發(fā)展對天線的性能提出了更高的要求，方向圖可重構(gòu)天線是天線家族中重要組成部分之一，應(yīng)用十分廣泛。文中利用HFSS軟件對方向圖可重構(gòu)的平面準(zhǔn)八木天線進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn)，天線結(jié)構(gòu)基于傳統(tǒng)的偶極子天線以及八木天線并采用差分饋電，主天線振子置于介質(zhì)板的兩側(cè)，在地板一側(cè)的振子臂通過PIN二極管開關(guān)與地板相連，饋電一側(cè)的陣子臂通過PIN二極管開關(guān)與饋電相連。通過組合控制二極管的開關(guān)狀態(tài)即可控制天線單元的工作狀態(tài)從而實現(xiàn)天線方向圖可重構(gòu)的目的。結(jié)果表明天線的回波損耗在中心頻點(diǎn)出達(dá)到-25dB,-10dB帶寬為約為400MHz，相對帶寬為13%，天線在主輻射方向的增益達(dá)到約4.5dB，該天線能夠?qū)崿F(xiàn)4個方向的掃描，具有良好的方向性。

關(guān)鍵詞：方向圖可重構(gòu)；平面微帶天線；差分饋電；HFSS

0引言

天線作為無線通信系統(tǒng)的一個必要組成部分，負(fù)責(zé)對無線信號進(jìn)行傳輸與接收。其性能影響著整個無線通信系統(tǒng)的性能。當(dāng)今無線通信技術(shù)的發(fā)展對天線的性能提出了更高的要求，而可重構(gòu)天線有著越來越廣泛的需求。它將不同的天線功能集成在一副天線上實現(xiàn)，從而有效提高通信系統(tǒng)的性能。方向圖可重構(gòu)天線應(yīng)用于需要改變信號接收方向的場合，如移動目標(biāo)的搜索、跟蹤等。該類天線可以有效提高系統(tǒng)的安全性，避免噪聲干擾，有效抑制多徑效應(yīng)。[1]基于此類天線的諸多優(yōu)點(diǎn)，本文對該類天線進(jìn)行了研究與設(shè)計。為了達(dá)到天線方向圖可重構(gòu)的目的[2-3]，開關(guān)是實現(xiàn)方向圖可重構(gòu)天線必不可少的部件，它的原理是通過切換開關(guān)的狀態(tài)從而控制天線中不同天線振子工作，從而改變天線方向圖的指向達(dá)到方向圖可重構(gòu)的目的。

本設(shè)計中天線結(jié)構(gòu)基于傳統(tǒng)的偶極子天線[4-5]為和八木天線[6]，并將其結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計成為平面準(zhǔn)八木天線結(jié)構(gòu)形式。八木天線具有高增益的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一副4個方向波束可調(diào)且具有增益約為4.3dB的方向圖可重構(gòu)天線。利用差分饋電的原理[7]，將主輻射振子置于介質(zhì)板兩側(cè)，天線結(jié)構(gòu)得到簡化。其處理如下：在地板一側(cè)的振子臂通過PIN二極管開關(guān)與地板相連，饋電一側(cè)的陣子臂通過PIN二極管開關(guān)與饋電相連。這樣省去了給天線振子饋電的巴倫結(jié)構(gòu)同時通過組合控制開關(guān)的通斷狀態(tài)可實現(xiàn)天線方向圖可重構(gòu)的目的。

1天線設(shè)計及結(jié)構(gòu)

(a)天線總體3D圖

(b)天線正面圖　　　　　　(c)天線背面

2天線結(jié)果及分析

天線所用的介質(zhì)基板為FR4板材，厚度為1.6mm，相對介電常數(shù)為4.4。所有的天線參數(shù)都是在HFSSv13軟件中進(jìn)行優(yōu)化得到。優(yōu)化后的天線參數(shù)如表1所示。

表1　優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2給出了不同開關(guān)組合通斷狀態(tài)時的天線的回波損耗圖。從圖中可以看出天線在四種開關(guān)通斷狀態(tài)下在2.39～2.71GHz頻段內(nèi)天線都達(dá)到了良好匹配，相對帶寬達(dá)到13%。

圖2　開關(guān)組合通斷下天線的S11

圖3 開關(guān)1和5接通時在2.4GHz天線3D圖圖4 開關(guān)1和5接通時在2.4GHz天線在y-z面的輻射方向圖

圖5 開關(guān)2和6接通時在2.4GHz天線3D圖圖6 開關(guān)2和6接通時在2.4GHz天線在x-z面的輻射方向圖

圖7 開關(guān)3和7接通時在2.4GHz天線3D圖圖8 開關(guān)3和7接通時在2.4GHz天線在y-z面的輻射方向圖

圖9 開關(guān)4和8接通時在2.4GHz天線3D圖圖10 開關(guān)4和8接通時在2.4GHz天線在x-z面的輻射方向圖

圖11 天線地未開槽地中電流密度圖12 天線地開槽地中電流密度

圖13 天線增益對比

圖14 方向圖可重構(gòu)天線的實物圖

3結(jié)論

本文中給出了一款方向圖可重構(gòu)的平面微帶天線的設(shè)計與實現(xiàn)。同時給出了天線的性能結(jié)果，結(jié)果表明天線在2.39～2.71GHz頻段內(nèi)達(dá)到了良好匹配，并具有較高增益，通過組合控制開關(guān)狀態(tài)，天線的輻射方向圖也隨之改變，實現(xiàn)了天線方向圖可重構(gòu)目的，該天線能夠滿足無線通信系統(tǒng)的需求。

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[責(zé)任編輯:李軍]

Design and Implementation of Radiation Pattern Reconfigurable Planar Microstrip Antenna

WANG Sheng-jie,GU Juan-juan,HU Guo-hua

(Department of Electronic Information and Engineering,Hefei University,Hefei 230601, China)

Abstract:The development of wireless communication system has raise higher demand on the performance of antenna,the radiation pattern reconfigurable antenna is widely needed in wireless communication system.In this paper the radiation pattern reconfigurable microstrip antenna has been designed and realized.This structure is based on traditional dipole antenna and Yagi antenna.According to differential feeding theory,the two arms which consist of the driven dipole are loaded on each side of substrate.A PIN diode switch is loaded between the ground and each driven dipole arm a PIN diode switch is loaded between the feed and the other driven dipole arm.The antenna radiation pattern can be reconfigurable by combination controlling the diode switch state.The result shows that the return loss is -25dB at center frequency.-10dB bandwidth is about 320MHz,relative bandwidth is about 13%.The maximum gain at main radiation direction reaches 3dB.This reconfigurable antenna has good directivity with the scanning function of eight direction and can be applied in wireless communication system.

Key words:radiation pattern reconfigurable;planar microstrip antenna; differential feeding; HFSS

中圖分類號：TN827+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-162X(2016)01-0070-05

作者簡介：汪圣杰(1989—)，男，安徽安慶人，合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系助教，碩士，研究方向：電磁場與電磁波、微波技術(shù)、天線，嵌入式等；顧涓涓(1964—)，女，江蘇南京人，合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系教授，研究方向：高頻電子線路及微波技術(shù)；胡國華(1978—)，男，安徽安慶人，合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系副教授，安徽大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2012級博士研究生，研究方向：信號與信息處理。

基金項目：安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目(2015sxzx018、2015ckjh062)，安徽省教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(KJ2015A164)基金資助。

收稿日期：2015-10-21修回日期：2015-12-25