具有頻移特性的方向圖可重構(gòu)的天線設(shè)計與實(shí)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系，安徽合肥 230601)

具有頻移特性的方向圖可重構(gòu)的天線設(shè)計與實(shí)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系，安徽合肥 230601)

在通信系統(tǒng)快速發(fā)展的今天，系統(tǒng)中需要的天線數(shù)量也在大幅增加。為了提高通信質(zhì)量、降低成本、減輕重量以及實(shí)現(xiàn)良好的電磁兼容特性，可重構(gòu)天線的概念應(yīng)運(yùn)而生，并在天線研究領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。通常情況下，方向圖可重構(gòu)天線的設(shè)計方法是依賴相控陣天線原理實(shí)現(xiàn)的，但是制作的天線體積較大而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文提出一種結(jié)構(gòu)新穎的方向圖可重構(gòu)天線，該天線能夠工作在WLAN頻段，仿真結(jié)果表明該天線在工作頻段內(nèi)具有良好的回波損耗特性以及較高的增益，能夠滿足通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求，且具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、剖面低、易于制作的優(yōu)點(diǎn)。

回波損耗；增益；方向圖可重構(gòu)天線；WLAN

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以無線傳輸方式傳遞信息的現(xiàn)代移動通信、衛(wèi)星通信、各種軍/民用雷達(dá)和飛行器等，在國民經(jīng)濟(jì)及國防領(lǐng)域中的地位變得越來越重要。作為無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，天線起著輻射和接收電磁波實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的作用[1-2]。因此，無線通信系統(tǒng)的性能與天線的工作特性緊密相關(guān)，這使得天線技術(shù)的發(fā)展成為無線信息技術(shù)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。

在科技快速發(fā)展的今天，為了滿足用戶對通信網(wǎng)絡(luò)帶寬及傳輸速率日益增長的需求，可重構(gòu)天線已成為天線領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?？芍貥?gòu)天線在無線通信系統(tǒng)中能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求來改變其特性參數(shù)，不需人工干預(yù)且能夠方便控制。可重構(gòu)天線在通信系統(tǒng)中能夠增加帶寬、提高系統(tǒng)容量、實(shí)現(xiàn)軟件無線電，這給無線電技術(shù)的發(fā)展帶來了深遠(yuǎn)的影響。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文中的天線使用FR4板材制作，通過優(yōu)化設(shè)計最終得到圖1所示的天線總體結(jié)構(gòu)，天線的背面如圖1(b)所示，天線的背面為天線的地，該地由圓形金屬外加互相間隔120°金屬矩形地構(gòu)成。其中金屬矩形具有頻移特性，具有移動中心頻點(diǎn)特性，通過這種技術(shù)拓展天線帶寬[3-4]。天線的正面如圖1(a)所示，天線的正面有6個天線振子，這6個天線振子組成3組，每組之間間隔120°并通過阻抗間變結(jié)構(gòu)匯集到天線的饋電點(diǎn)。但是3組天線振子沒有直接與饋電點(diǎn)相連，而是通過PIN二極管控制與饋電的相連，如此通過控制PIN二極管能夠有效控制與饋電相連的振子，從而達(dá)到對天線輻射方向圖的控制。阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)是設(shè)計的關(guān)鍵[5]，它極大影響天線的匹配即回波損耗特性。表1給出了天線通過HFSSver13.0仿真優(yōu)化得到的最終的參數(shù)優(yōu)化值。

2 天線性能及分析

圖2給出了該天線在PIN開關(guān)分別打開時天線的S11，回波損耗曲線分為3組，PIN1和PIN2開關(guān)對應(yīng)的S11曲線為一組，PIN3和PIN4開關(guān)對應(yīng)的S11曲線為一組，而PIN5和PIN6開關(guān)對應(yīng)的曲線為一組。為了更清晰地闡述該天線的頻移作用，圖3單獨(dú)給出了PIN1開關(guān)和PIN2開關(guān)所對應(yīng)的S11曲線。天線的回波損耗曲線在不同開關(guān)下具有頻移作用，這種作用使得天線的諧振頻率曲線呈W型，有效地增加了天線的帶寬。該天線在5.06～5.37GHz頻段內(nèi)達(dá)到了良好的匹配，滿足無線通信系統(tǒng)的需求。

(a)天線的正面結(jié)構(gòu)圖 (b)天線的背面結(jié)構(gòu)圖圖1 天線的總體結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)參數(shù)值(mm)結(jié)構(gòu)參數(shù)值(mm)R11．7R28H1．6L15L21．5L49L51．2L61．5L70．9L81．8W14．5W21W35．35W43．2W511．6W61．5W70．9

圖2 不同PIN開關(guān)下天線的回波損耗圖

圖3 PIN1和PIN2開關(guān)的天線回波損耗圖

圖4 不同PIN開關(guān)下天線的輻射方向圖

圖4顯示了天線在不同PIN開關(guān)下天線的輻射方向圖，研究表明不同開關(guān)下天線的主輻射方向圖的方向不同，具有6個主輻射方向，每個主輻射方向大致間距60°，且各自的波束寬度也為60°。該結(jié)果表面光，通過控制PIN開關(guān)的通斷能夠有效達(dá)到控制天線主輻射方向，從而實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)的功能。

從圖4中可以看出，不同開關(guān)下天線的輻射方向圖不同，PIN1開關(guān)下的主輻射方向在Phi=0°，Theta=100°，最大增益為3.85dB，且從方向圖中可以看出波束寬度為60°；PIN2開關(guān)下的主輻射方向在Phi=180°，Theta=100°，最大增益為3.4dB，波束寬度為60°。其它開關(guān)下天線的輻射方向分析與此類似，由此實(shí)現(xiàn)了天線方向圖可重構(gòu)的目的。

由于天線的阻抗?jié)u變機(jī)構(gòu)極大影響天線的匹配，因此本文對阻抗匹配參數(shù)W6進(jìn)行了研究，對W6參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化分析，設(shè)起始值為0.5mm，設(shè)終值為2.5mm，步長為0.5mm。圖5給出了參數(shù)掃描下的天線的回波損耗圖，可以看出阻抗匹配參數(shù)極大地影響了天線的回波損耗曲線，最終選取回波損耗最佳曲線所對應(yīng)的參數(shù)值，即W6=1.5mm。圖6為根據(jù)仿真優(yōu)化的結(jié)構(gòu)制作出的天線實(shí)物圖。

圖5 PIN1開關(guān)下參數(shù)掃描W6的天線回波損耗圖

圖6 天線實(shí)物圖

3 結(jié)語

本文針對一款具有頻移特性的方向圖可重構(gòu)的天線進(jìn)行了設(shè)計并實(shí)現(xiàn)。研究結(jié)果表明，控制開關(guān)的通斷，使天線具有在目標(biāo)頻段內(nèi)頻移的特性，有效地提升了天線的帶寬，同時可以作為低剖面微帶天線拓展帶寬的一種方法。天線在不同開關(guān)下輻射方線圖不同，能夠?qū)崿F(xiàn)6個主輻射方向的掃描，主輻射方向互相間距60°,且天線在每個主輻射方向具有較高的增益，最大增益接近4dB。

[1]郭輝萍,劉學(xué)觀.電磁場與電磁波[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2010:26-31.

[2]鐘順時.天線理論與技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[3]Girish Kumar,K.P.Ray.Broadband microstrip antennas[M].Boston:Artech House,Inc.,2003:8-21.

[4]H.W.Kwa,X.M.Qing,Z.N.Chen.Broadband single-fed single-patch circularly polarized antenna for UHF RFID applications[C].Proc.In IEEE Antennas and Propagation Society Int.Symp.2008:1-4.

[5]David M.Pozar.微波工程[M].3版.張肇儀,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2015.

Design and Implementation of Pattern Reconfigurable Antenna With Frequency Shift Characteristic

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

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

With the rapid development of integrated communication system, more and more antenna is needed in the communication system. In order to improve the quality of communication, reducing costs and weight and achieving good EMC characteristics, the concept of reconfigurable antenna come into existence and has drawn great attention in the field of antenna design. Traditional reconfigurable antenna design is based on the principle of phased array antenna principle, however the antenna size maybe large and the structure maybe complex. In this paper a noval pattern reconfigurable antenna is presented. This antenna can be utilized in WLAN frequency band with good return loss feature and reasonable high gain. It meets the application demand of communication system with the advantage of simple structure, low weight and profile, and is easy to integrat in communication system.

return loss；gain；Pattern-reconfigurable Antenna；WLAN

2017-02-27

合肥學(xué)院2016年自然科學(xué)科研發(fā)展基金項目“電磁能量收集技術(shù)研究以及關(guān)鍵組成部件的研究設(shè)計”(0395841698)；安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目“通信工程開放實(shí)訓(xùn)(實(shí)驗(yàn))中心”(2015sxzx018)；安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目“環(huán)境智能控制創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室”(2015ckjh062)；安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目“通信技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)認(rèn)證的教學(xué)改革與研究”(2016jyxm0884)；安徽省高校優(yōu)秀中青年骨干人才國外訪學(xué)研修重點(diǎn)項目(gxfxZD2016222)；安徽省教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目“肺部CT圖像興趣區(qū)域的實(shí)值離散Gabor變換壓縮算法研究”(KJ2015A164)。

汪圣杰(1989- )，男，助教，博士研究生，從事電磁場與微波技術(shù)、嵌入式研究。

TN011

A

2095-7602(2017)08-0017-05