一種新型寬帶方向圖可重構(gòu)天線

王 任，王秉中，丁 霄

（電子科技大學應(yīng)用物理研究所 成都 610054 ）

一種新型寬帶方向圖可重構(gòu)天線

王 任，王秉中，丁 霄

（電子科技大學應(yīng)用物理研究所 成都 610054 ）

設(shè)計了一種具有兩個輻射模式的寬帶方向圖可重構(gòu)天線。該天線由兩個準八木天線單元組成，兩個單元的輻射體分別指向相反的方向。兩個單元使用同一根同軸線從背面饋電，在每個單元的饋線與同軸線饋點之間安裝一個PIN二極管以控制輻射模式。在天線振子的下方安裝反射板用以調(diào)節(jié)天線的輻射方向，避免了天線對射頻組件的干擾。仿真結(jié)果顯示，天線的工作頻段為5.00～5.65 GHz，兩種模式的主瓣分別指向θ=±55°，3 dB波瓣寬度均為110°，工作頻段內(nèi)增益為7.3～7.7 dB，調(diào)節(jié)反射板的尺寸可以改變天線的主瓣指向。對該天線進行了實際制作和測量，實測結(jié)果和仿真結(jié)果較吻合。該天線可以用于智能通信系統(tǒng)。

寬帶； 二極管開關(guān)； 準八木天線； 方向圖調(diào)節(jié)； 可重構(gòu)天線

方向圖可重構(gòu)天線在通信系統(tǒng)中能有效地擴大天線的波束覆蓋范圍［1-6］，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，有效地減弱噪聲干擾，提高信息傳輸速率［7-10］，因而近年來受到了廣泛的研究。

文獻［7-8，10］分別設(shè)計了用于智能通信系統(tǒng)的方向圖可重構(gòu)天線，這些天線均在天線中心部位從背面饋電，天線輻射體位于饋電點周圍，通過接通不同的輻射體實現(xiàn)波束切換。但是這些天線存在一個共同的不足：沒有考慮天線輻射對天線背面射頻組件的影響，當天線對背面射頻電路輻射較強時，可能會影響?zhàn)侂婋娐返男阅埽敼β瘦^大時甚至燒壞電路。

本文以傳統(tǒng)準八木天線為基礎(chǔ)，將兩個準八木天線單元反向印制在介質(zhì)基板上，組成一個具有兩種工作模式的方向圖可重構(gòu)天線。饋電點位于天線的介質(zhì)板中心位置，采用同軸線背饋方式，在每個天線單元的饋線與同軸線饋點之間安裝一個PIN二極管，當兩個二極管中的一個導通一個截止時則產(chǎn)生一種輻射模式。通過在激勵振子的下方增加反射板，實現(xiàn)了對天線方向圖的調(diào)節(jié)，可以避免天線向背面輻射，為背饋的方向圖可重構(gòu)天線與射頻組件的集成提供了避免干擾的途徑。

1 方向圖可重構(gòu)天線設(shè)計

為了實現(xiàn)八木天線的方向圖重構(gòu)，本文將兩個準八木天線反向放置，饋電點位于天線的介質(zhì)板中心位置，采用同軸線背饋方式，同軸線的特征阻抗為50 ?。同時，在每個天線單元的饋線與同軸線饋點之間安裝一個PIN二極管，通過直流偏置電路控制二極管的通斷，從而使天線在不同工作模式間切換。

1.1 準八木天線設(shè)計

文獻［11］指出將準八木天線的其中一個振子與地板相連，可以利用地板電流的特點省去饋電巴倫。鑒于此，本文將兩個振子分別印制在介質(zhì)板的正面和背面，一個振子與正面饋線連接，另一個振子與地板連接，天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

天線的中心頻率設(shè)計為5.3 GHz，激勵振子長度L1約為0.5λg， λg為5.3 GHz對應(yīng)波導波長，則有［12］：

式中， εe為結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)； λ0為自由空間的波長。

天線印制在相對介電常數(shù)為2.65、厚度為0.8 mm的聚四氟乙烯基板上。饋電同軸線外導體與介質(zhì)板背面的地板相連，內(nèi)導體通過介質(zhì)板通孔與正面的中心金屬焊盤相連，中心金屬焊盤是邊長為L7的正方形。

為了改變并控制準八木天線的輻射方向，避免天線的輻射干擾背面的射頻組件，在天線激勵振子的下方放置反射金屬板，反射金屬板中心位置與激勵振子中心位置處于同一豎直線上。反射板與介質(zhì)基板之間填充塑料泡沫，塑料泡沫的相對介電常數(shù)為1.06。改變金屬反射板的長度、寬度及其與介質(zhì)基板的距離可以改變天線的輻射方向。天線各部分的尺寸如表1所示。

表1 天線尺寸表

1.2 二極管直流偏置電路設(shè)計

為了控制不同的準八木天線單元工作，實現(xiàn)工作模式的切換，采用PIN二極管作為開關(guān)，偏置電路的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其直流偏置電路原理如圖2所示，其中+Vcc和Gnd分別接直流控制電源的正負極。為了避免直流和射頻的互相干擾，在二極管的負極與射頻饋電點之間使用電容C進行隔離，并將二極管負極通過1/4λg高阻抗短路線L8和電感L接地，直流偏置電路與射頻電路共地。在二極管的正極，通過電感L阻斷射頻信號對直流的干擾，并通過電阻R對直流信號降壓，避免燒壞二極管。電阻、電感等集總元件的兩端通過邊長為L7的焊盤連接。各集總元件的數(shù)值分別為R=2.2 k?，L=1 mH，C=10 pF。

圖2 二極管直流偏置電路

通過控制二極管D1和D2的通斷，天線可以工作在兩種模式：當D1導通、D2截止時，天線工作在模式一；當D1截止、D2導通時，天線工作在模式二。在仿真時，使用2 mm×3 mm的銅片代替二極管，有銅片表示二極管導通，無銅片表示二極管截止。

2 仿真及測試結(jié)果

使用電磁仿真軟件CST Microwave Studio 對天線模型進行仿真，制作了天線的實物并使用Agilent E8361A型網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波暗室對天線進行了測試。天線及其測試場景如圖3所示。

圖3 天線及其測試場景

由于該天線為對稱結(jié)構(gòu)，故天線在兩種模式下的反射系數(shù)參數(shù)相同，其仿真與測試結(jié)果如圖4所示。S11小于-10 dB的仿真帶寬為650 MHz （5.00～5.65 GHz），小于-10 dB的測試帶寬為750 MHz（5.00～5.75 GHz），仿真與測試結(jié)果較吻合。

圖4 天線的仿真與測試S11參數(shù)

圖5為天線的兩種模式在5.3 GHz時的3D方向圖，在兩種模式下方向圖分別指向不同的方向，實現(xiàn)了方向圖的重構(gòu)。由于重構(gòu)模式的對稱性，故下面將對其中一種工作模式進行詳細分析。

圖5 天線的仿真3D方向圖

圖6為模式二在5.3 GHz時yoz面的方向圖。該模式下仿真主瓣方向為θ=-55°，3 dB波瓣寬度為110°，測試主瓣方向為θ=-57°，3 dB波瓣寬度為108°。主瓣內(nèi)的仿真和測試交叉極化均小于-15 dB。圖7為模式二在5.3 GHz時的xoy面方向圖，該模式下仿真主瓣方向為φ=-90°，3 dB波瓣寬度為120°，測試主瓣方向為φ=-86°，3 dB波瓣寬度為122°。主瓣內(nèi)的仿真和測試交叉極化均小于-15 dB。

圖8為天線在工作頻帶內(nèi)的測試最大增益和效率。該天線的最小增益為5.5 dB，最大增益為6.5 dB，天線的增益較為平穩(wěn)。天線的效率變化范圍為0.69～0.82，其工作效率較高。

圖6 模式二的仿真和測試yoz面方向圖

圖7 模式二的仿真和測試xoy面方向圖

圖8 天線的測試最大增益和效率

3 結(jié)果分析

在本文設(shè)計中，反射板對天線的性能有重要的影響。討論反射板的影響可以更深入地了解此類天線的性能，便于根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境調(diào)節(jié)反射板，從而實現(xiàn)對八木天線的方向圖的控制。當天線工作在模式一時，其5.3 GHz有無反射板情況下yoz面的方向圖如圖9所示，沒有反射板時天線的主瓣指向為θ=90°，增加反射板之后，主瓣的指向為θ=55°，可見反射板可以使天線的方向圖向遠離反射板的方向偏轉(zhuǎn)。下面分別討論反射板距介質(zhì)板的高度H、反射板長度Lr和反射板寬度Wr對天線性能的影響。

圖9 有無反射板天線yoz面方向圖對比

圖10為反射板高度H對S11參數(shù)的影響，當H較小時（H=10 mm和H=19.4 mm），S11最低點低于不加反射板時10 dB，差異較大；當H較大時（H=30 mm和H=40 mm），S11與不加反射板時差異較小，反射板對天線的影響減弱。圖中所示的5種情況，S11小于-10 dB的頻帶范圍均在4.90～5.65 GHz，帶寬均在610～690 MHz之間。由此可知，雖然H對天線S11參數(shù)的最小值有較大的影響，但對工作帶寬影響較小。圖11為高度H對增益的影響，有反射板時的增益大于沒有反射板時的增益，隨著H的增加，增益先增加再減小，當H=30 mm時達到最大值，5.3 GHz時的最大增益為8.2 dB。

圖12為反射板長度Lr對S11的影響，與不加反射板相比，Lr對帶寬的影響不大，圖示各種情況之間的帶寬差均小于50 MHz。圖13為Lr對天線增益的影響，有反射板時的增益大于沒有反射板時的增益，并且Lr越大增益越大，當Lr=35 mm時，最大增益比不加反射板時大2 dB。

圖14為反射板寬度Wr對天線S11參數(shù)的影響，與不加反射板相比，Wr對帶寬的影響較小，圖中各種情況之間的帶寬差均小于30 MHz。圖15為反射板寬度Wr對增益的影響，當Wr=15 mm（小于激勵振子長度L1）時，天線的最大增益小于不加反射板時的最大增益。當反射板寬度Wr大于振子長度L1時，天線的最大增益大于不加反射板時的增益；并且Lr越大增益越大。

圖10 反射板高度H對S11的影響

圖11 反射板高度H對增益的影響

圖12 反射板長度Lr對S11的影響

圖13 反射板長度Lr對增益的影響

圖14 反射板寬度Wr對S11的影響

圖15 反射板寬度Wr對增益的影響

通過以上分析可知，反射板可以對天線的方向圖、S11參數(shù)和增益產(chǎn)生影響，改變天線的輻射方向和增益，但是對天線的帶寬影響比較小。使在不影響天線帶寬的情況下改變天線的輻射方向、控制天線的增益成為可能，為適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境而調(diào)節(jié)天線的方向圖提供了條件。

4 結(jié) 束 語

本文將兩個準八木天線組合，并加入二極管及其偏置電路，在保證一定工作帶寬的情況下，實現(xiàn)了準八木天線的方向圖重構(gòu)。通過在激勵振子的下方增加反射板，實現(xiàn)了對天線方向圖的調(diào)節(jié)，提供了一種在對工作帶寬影響較小的前提下控制八木天線輻射方向的方法，避免了天線向背面輻射，為背饋方向圖可重構(gòu)天線與射頻組件的集成提供了的避免干擾的途徑。該天線可以用于智能通信系統(tǒng)。

［1］ QU S W， CHEN Q Y， CHEN Q， et al. Dual-antenna system composed of patch array and planar Yagi antenna for elimination of blindness in cellular mobilecommunications［J］. Progress in Electromagnetics Research，2011， 21： 87-97.

［2］ DING Xiao， WANG Bing-zhong. A novel wideband antenna with reconfigurable broadside and endfire patterns［J］. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2013， 12：995-998.

［3］ DING Xiao， WANG Bing-zhong. A millimeter-wave pattern-reconfigurable antenna with a reconfigurable feeding network［J］. Journal of Electromagnetic Waves and Applications， 2013， 27（5）： 649-658.

［4］ ZHANG Jian， YANG Xue-song， LI Jia-lin， et al. A linear phased array with reconfigurable dynamic Yagi-Uda patch antenna elements［C］//2012 International Workshop on Microwave and Millimeter Wave Circuits and System Technology. ［S.l.］： IEEE， 2012， 4： 1-4.

［5］ BAI Yan-ying， XIAO Shao-qiu， TANG Ming-chun， et al. Wide-angle scanning phased array with pattern reconfigurable elements［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2011， 59（11）： 4071-4076.

［6］ RUSCH C， BEER S， PAHL P， et al. Electronic beam scanning in two dimensions with holographic phased array antenna［C］//2013 International Workshop on Antenna Technology. Karlsruhe： IEEE， 2013， 3： 23-26.

［7］ LAI M， WU T Y， HSIEH J C， et al. Compact switched-beam antenna employing a four-element slot antenna array for digital home applications［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2008， 56（9）： 2929-2936.

［8］ MAJID H A， RAHIM M K A， HAMID M R， et al. Frequency and pattern reconfigurable Yagi antenna［J］. Journal of Electromagnetic Waves and Applications， 2012，26（2-3）： 379-389.

［9］ CAI Xiao-tao， WANG An-guo， CHEN Wei-gang. A circular disc-shaped antenna with frequency and pattern reconfigurable characteristics［C］//2011 China-Japan Joint Microwave Conference Proceedings. ［S.l.］： IEEE， 2011， 4：1-4.

［10］ NGUYEN V A， JEONG M H， DAO M T， et al. Four-port beam reconfigurable antenna array for pattern diversity system［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012， 6（10）： 1179-1186.

［11］ 王安國， 劉楠， 蘭航. 方向圖可重構(gòu)寬帶準八木天線的設(shè)計［J］. 天津大學學報， 2011， 44（10）：872-877. WANG An-guo， LIU Nan， LAN Hang. Design of broadband quasi-Yagi antenna with pattern reconfigurability［J］. Journal of Tianjin University， 2011，44（10）： 872-877.

［12］ BALANIS C A. Antenna theory analysis and design［M］. 3rd ed. Hoboken， USA： John Wiley & Sons， 2005.

編 輯 黃 莘

A Novel Broadband Antenna with Pattern Reconfigurability

WANG Ren，WANG Bing-zhong， and DING Xiao
（Institute of Applied Physics， University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054）

A novel wideband antenna with two reconfigurable radiating patterns is presented. The proposed antenna is made of two quasi-Yagi antennas， with their radiations directing to opposite directions， respectively. The two elements are fed with one coaxial cable from the back of the dielectric substrate. A PIN diode is embedded between the feeding line of each element and coaxial cable to regulate the radiating pattern. Besides， reflectors are set under the arms of the driver dipole to regulate the radiating direction and avoid interference with radio components. Simulated results show that the proposed antenna can work at 5.00 GHz to 5.65 GHz， the main beams of the two modes direct to ±55° respectively， and the 3dB beam-widths of main beams are all 110°. The gain within the operating bandwidth is 7.3 dB to 7.7 dB. The main beam direction of the proposed antenna can be regulated by the size of reflectors. The antenna was fabricated and measured. The measurement results are good with the simulation results. The antenna presented can be used in intelligent communication systems.

broadband； diode switch； quasi-Yagi antenna； radiation pattern regulating； reconfigurable antenna

O45； TN82

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.010

2013 - 12 - 17；

2014 - 10 - 08

國家自然科學基金（61071031， 61331007， 61401065）；高等學校博士學科點專項科研基金（20100185110021， 20120185130001）

王任（1990 - ），男，博士生，主要從事天線理論與技術(shù)方面的研究.