波束切換超材料激勵微帶天線

張利敏 李晗琳 曾幸

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714083

摘要：本研究提出的天線增益增強技術是利用MTM來實現(xiàn)的。設計了波束切換矩形微帶天線，采用雙寄生貼片，在其上面還有兩個PIN二極管。分別對采用和不采用MTM上層介質(zhì)開關光束微帶天線進行了仿真。仿真有良好的效果，工作頻率（2.42.5GHz）范圍內(nèi)有良好的阻抗匹配（|S11|<10dB）。在工作頻率范圍內(nèi)，單向輻射模式下測得的平均增益是7dBi，對2.425GHzWLAN系統(tǒng)具有可操作性和能夠在XY平面的三個方向切換。

關鍵詞：增益提高；超材料；微帶；寄生貼片；PIN二極管

從無線通信的指數(shù)增長來看，智能手機和筆記本電腦都促成了這樣一種現(xiàn)象，即對數(shù)字無線通信等容量的需求。此外，當遭遇了障礙物之后會發(fā)生波反射和散射的時候，數(shù)字無線技術會遭受多徑衰落效應。使用智能天線，波束轉(zhuǎn)向天線或波束切換天線可以有效地被解決。

用于無線通信網(wǎng)絡的波束切換天線，可以旋轉(zhuǎn)的主光束超過360度左右的方位角，并具有寬的阻抗帶寬。盤天線通過使用四引腳二極管的通態(tài)和關斷狀態(tài)的方位角來控制主波束。PIN二極管采用短的輻射貼片到地平面以改變輻射模式。此外，這些組件可以用來控制天線的主光束，如晶體管，場效應晶體管（FET），和射頻微機電系統(tǒng)（RFMEMS）開關。本文研究的是波束切換天線中利用超常介質(zhì)（MTM）的基板來提高增益。該天線是矩形微帶結(jié)構(gòu)，包含微帶饋電線，兩個寄生貼片和兩個用于改變主波束方向PIN二極管。該天線能夠在WLAN系統(tǒng)中的2.42.5GHz頻率范圍內(nèi)工作并有三種模式可以切換。

1 波束切換天線的結(jié)構(gòu)

圖1是波束切換天線示意圖。最初，饋電微帶線是在一個厚度為3.2mm的FR4基板上中心頻率為2.45GHz的條件下進行仿真的。這個饋電線通過（1）來計算以特性阻抗為50Ω來匹配貼片天線和微帶線。這個饋電線位于矩形貼片的邊緣。這個矩形貼面的設計根據(jù)以主模方式傳輸?shù)哪Ｐ停═M010）正如（2）所示。

Zc=120πε0w0h+1.393+0.667ln（w0h+1.444），w0h>1（1）

w=12frμ0ε02εr+1（2）

εeff是相對介電常數(shù)，W0是微帶饋電線寬度，h是基板厚度，W是微帶貼片寬度。

這款天線，在輻射貼片的兩邊添加寄生貼片，在寄生貼片與接地平面之間采用PIN二極管。圖1（a）（b）展示了天線結(jié)構(gòu)。當PIN二極管放置在兩個寄生貼片上的時候，調(diào)節(jié)寄生貼片和輻射貼片之間的距離能夠改變輻射模式。PIN二極管將輻射貼片與地平面連接起來，如圖1（c）。改變寄生貼片的尺寸，可以獲得合適的參數(shù)。寄生貼片和輻射貼片之間的距離可以減少相互耦合的影響。

仿真結(jié)果S11如圖2所示?？梢钥闯鯯11在三種模式工作下有微小變化的，但不影響它覆蓋整個頻率范圍。

2 使用MTM來提高增益

為了提高增益，采用MTM作為覆板，放置在天線前端，距離為2mm。MTM排列成三層17×7的周期性結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)|S11|改變使得諧振頻率更高。增益隨著層數(shù)的增加而提高，但層數(shù)越大，波束寬度越窄。三層是相較于之前的天線結(jié)構(gòu)更合適的層數(shù)。

[JZ]

[JZ]圖3 有三層MTM波束切換微帶的S11

研究帶有MTM的天線的工作模式，發(fā)現(xiàn)每種模式下S11和輻射方向圖都在范圍之內(nèi)。圖3所示當PIN二極管工作在較高的諧振頻率下時每種模式下的S11都是變化的。

3 結(jié)論

本研究提出了波束切換天線，其中兩個PIN二極管被用來控制主波束的方向MTM側(cè)枝用來提高天線的增益。兩種波束切換天線都可以工作在2.42.5GHz的WLAN系統(tǒng)之下，在XY平面的三個方向0°，30°，330°都是可切換的。仿真驗證三層MTM應用作為覆板可以提高天線增益。