小型方向圖可重構(gòu)四單元縫隙天線的設(shè)計

曾李， 凃玲英， 豐勵， 尹龍川， 曲元軍

(湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

在數(shù)字無線通信系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)[1]會導(dǎo)致信號的衰落和相移，不僅影響信號傳輸質(zhì)量，還會限制傳輸帶寬和傳輸速率.方向圖可重構(gòu)天線可以針對不同的信號環(huán)境調(diào)整天線的方向圖，在其干擾方向形成零陷，有用信號方向形成主波束，達(dá)到抑制干擾，提高傳輸速率的目的.傳統(tǒng)的方向圖可重構(gòu)天線采用相控陣技術(shù)[2]，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高.方向圖可重構(gòu)天線和相控陣天線相比，具有波束掃描角度大、波束指向改變簡單、波束控制靈活、天線單元使用數(shù)目少、輻射效率高等優(yōu)點.因此，方向圖可重構(gòu)天線具有重要研究價值.文獻[3-4]提出一種縫隙有源頻率選擇表面(AFSS)的雙頻電子波束切換天線，通過切換頻率選擇表面(FSS)中PIN二極管，使其能在選定的角度將全向波束轉(zhuǎn)換成定向波束.Su等[5]提出用二氧化釩(VO2)作為印刷開關(guān)控制單極子天線的方向圖和頻率，但是該開關(guān)的處理需要復(fù)雜的制造工藝，進而導(dǎo)致更高的成本.Jin等[6]提出一種基于弧偶極子的平面方向圖可重構(gòu)天線，弧偶極子刻在天線底板，4種輻射方向圖通過PIN二極管進行切換，但該天線的輻射效率只有60%.文獻[7-9]介紹了一種液態(tài)金屬天線，在這種天線的微流體通道注入鎵銦合金EGaIn，當(dāng)EGaIn受到足夠使其穿越小柱的壓力時，液態(tài)金屬天線的長度會變長，進而改變液態(tài)金屬天線的頻率、輻射方向圖和極化.Andy等[10]提出一種光開關(guān)可重構(gòu)天線，該開關(guān)由高阻抗硅片構(gòu)成，在紅外激光的照射下可以改變電導(dǎo)，從而改變天線的方向圖和頻率.Zhang等[11]提出一種方向圖可重構(gòu)平面光控八木天線，利用PIN光電二極管改變輻射模式.

然而，上述文獻設(shè)計的天線有的體積過大，有的操作復(fù)雜或成本較高.針對以上問題，本文提出一種適用于無線局域網(wǎng)(WLAN)的2.40～2.50 GHz的方向圖可重構(gòu)四單元縫隙天線.

1 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計

天線的縫隙單元結(jié)構(gòu),如圖1所示.圖1中：t是底層地面圓的直徑；e是介質(zhì)基板超出底層圓的長度；Ls，Ls1，S分別為底層L型縫隙中長縫隙的長度、短縫隙的長度、縫隙寬度；m為短縫隙到圓正切時的距離；W2是頂層矩形貼片的寬度；Ws是頂層矩形貼片的饋電寬度.

L型縫隙單元由50 Ω同軸線饋電，長縫隙長度Ls、距離m和矩形貼片寬度W2影響天線的阻抗匹配能力，短縫隙長度Ls1影響天線的工作頻率，改變這些參數(shù)使天線在頻率f=2.45 GHz有良好的阻抗匹配.在共振頻率下，縫隙單元周圍的感應(yīng)電流分布,如圖1白色箭頭所示.根據(jù)電流的流向可以分解為I1，I2，I3，因為I1在縫隙的上端，I2在縫隙下端，I1略大于I2且I1和I2的方向相反，因此,I1的輻射大部分被抵消，縫隙單元的輻射主要靠I3.故L型縫隙單元類似沿X軸定向的小偶極子，在xoy平面和xoz平面具有雙向的方向圖.另外，設(shè)計底層接地平面的形狀與尺寸，使縫隙單元在xoy平面上定向輻射，而且最大輻射方向是縫隙開口端的方向，考慮到I1剩余部分的影響，縫隙單元在xoy平面上的最大輻射方向會往縫隙開口端上移1個夾角.如前所述，縫隙單元在xoy平面上存在單一的方向輻射，將多個縫隙單元集合成1個天線就存在多個方向輻射.

天線的正面、背面結(jié)構(gòu),分別如圖2,3所示.圖2中：LB1為頂層輻射貼片的饋電長度；W1為饋電圓面的直徑；D1～D4為開關(guān).該天線是由4個縫隙天線結(jié)構(gòu)對稱組成的陣列，天線結(jié)構(gòu)設(shè)計有3個要點：1) 縫隙單元的輻射部分要盡可能遠(yuǎn)離天線的饋電網(wǎng)絡(luò)，以減少它們之間不必要的相互作用；2) 不同縫隙單元之間的距離應(yīng)該遠(yuǎn)小于工作頻率對應(yīng)的波長，這樣遠(yuǎn)場觀測時才可以忽略縫隙單元之間的相位變化；3) 天線在實際制作測試過程中，縫隙單元之間的距離過小會引起互感耦合，從而影響天線的反射系數(shù)和方向圖.

圖1 縫隙單元結(jié)構(gòu) 圖2 天線的正面結(jié)構(gòu) 圖3 天線的背面結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of slot element Fig.2 Front structure of antenna Fig.3 Back structure of antenna

天線結(jié)構(gòu)中有4個開關(guān)，可以按照文獻[12]的4個開關(guān)順序組合表示不同的開關(guān)模式，例如,模式1000表示D1處于導(dǎo)通狀態(tài)，其他開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)；模式1100表示D1和D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，其他開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，依此類推.通過組合控制這些開關(guān)，可以得到8個定向和多個幾乎全向的天線方向圖.

(a) 正向?qū)?(b) 反向截止圖4 PIN二極管的等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of PIN diode

使用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件(HFSS)設(shè)計仿真時，為了獲得較為精確的結(jié)果，選用BAR50-02V型二極管，PIN二極管等效電路[13]采用HFSS電阻電感電容集成(RLC)邊界條件建模，用正向電阻Rf與引線電感Lp串聯(lián)模擬PIN二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，反向并聯(lián)電阻Rr和二極管電容Cr并聯(lián)再與引線電感Lp串聯(lián)模擬PIN二極管的截止?fàn)顟B(tài).PIN二極管的等效電路圖,如圖4所示.具體參數(shù)如下：正向電阻為3 Ω，反向并聯(lián)電阻為5 000 Ω，二極管電容為0.15 pF，引線電感為0.5 nH.

2 天線參數(shù)分析

采用HFSS[14]對天線建模仿真，天線介質(zhì)基板采用環(huán)氧樹脂玻璃纖維板(FR4).選擇底層貼片的直徑t=50 mm，當(dāng)f=2.45 GHz時,t=0.408λ0(λ0為波長)，則相鄰縫隙單元之間的等效間距為17.3 mm，遠(yuǎn)小于2.45 GHz時的波長.仿真可以得到第1縫隙單元和第2縫隙單元之間的隔離度最大值為-23 dB，第1縫隙單元和第3縫隙單元之間的隔離度最大值為-25 dB，表明縫隙單元之間有較好的隔離度.表1為天線的詳細(xì)參數(shù).表1中：εr,h分別為環(huán)氧樹脂玻璃纖維板的相對介電常數(shù)和厚度.

表1 天線的詳細(xì)參數(shù)Tab.1 Detailed parameters of antenna

因為天線是由4個縫隙單元組成的陣列，故只需分析縫隙單元參數(shù)對天線性能的影響[15-16]，可知,參數(shù)W2,m,Ls1,Ls對天線性能的影響最大.以開關(guān)模式1000為例，對天線在2.45 GHz的反射系數(shù)和方向圖進行仿真分析.

保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，設(shè)置參數(shù)W2取值為1.25～1.75 mm，步進為0.25 mm，借助HFSS參數(shù)掃描功能對W2進行仿真分析，不同W2值對應(yīng)的反射系數(shù)S11和xoy面的方向圖，如圖5所示.由圖5可知：方向圖變化很小，W2主要影響反射系數(shù)S11，隨著W2的增大，天線的阻抗匹配變差.

(a) S11 (b) 方向圖圖5 不同W2值對應(yīng)的S11和方向圖Fig.5 S11 and direction pattern corresponding to different W2 values

保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，設(shè)置參數(shù)m取值為1.5～2.5 mm，步進為0.5 mm，借助HFSS參數(shù)掃描功能對參數(shù)m進行仿真分析，不同m值對應(yīng)的反射系數(shù)S11和xoy面方向圖，如圖6所示.由圖6可知：方向圖變化很小，m參數(shù)主要影響反射系數(shù)S11，隨著m的增大，天線的阻抗匹配能力變好.

保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，設(shè)置參數(shù)Ls1取值為4.1～4.3 mm，步進為0.1 mm，借助HFSS參數(shù)掃描功能對Ls1進行仿真分析，不同Ls1值對應(yīng)的S11和xoy面方向圖，如圖7所示.由圖7可知：方向圖變化很小，Ls1參數(shù)主要影響反射系數(shù)S11，隨著Ls1值的增大，工作頻點向低頻端移動.

保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，設(shè)置參數(shù)Ls取值為15～17 mm，步進為1 mm，借助HFSS參數(shù)掃描功能對參數(shù)Ls進行仿真分析，不同Ls值對應(yīng)的S11和xoy面方向圖，如圖8所示.由圖8可知：Ls參數(shù)不僅影響S11,還影響方向圖的輻射寬度，隨著Ls值的增大，天線在2.40 GHz的阻抗匹配能力變差，而且在方向圖最大增益不變的情況下，輻射寬度增大.

(a) S11 (b) 方向圖圖6 不同m值對應(yīng)的S11和方向圖Fig.6 S11 and direction pattern corresponding to different m values

(a) S11 (b) 方向圖圖7 不同Ls1值對應(yīng)的S11和方向圖Fig.7 S11 and direction pattern corresponding to different Ls1 values

(a) S11 (b) 方向圖圖8 不同Ls值對應(yīng)的S11和方向圖Fig.8 S11 and direction pattern corresponding to different Ls values

圖9 天線模式1000下的電流分布Fig.9 Current distribution under antenna mode 1000

3 計算機仿真

采用HFSS對表1中的參數(shù)進行仿真，得到天線在不同模式下的回波損耗和方向圖.當(dāng)f=2.45 GHz時，天線模式1000下的電流分布，如圖9所示.圖9中：天線左下側(cè)L型縫隙單元周圍的電流順時針方向運行，因此，縫隙上、下兩側(cè)的電流值近似相等且方向相反，符合節(jié)1天線結(jié)構(gòu)設(shè)計中對圖1縫隙單元輻射特性的分析.

天線在不同模式下的回波損耗仿真值，如圖10所示.由圖10可知：單一開關(guān)模式的天線回波損耗由于結(jié)構(gòu)的對稱，諧振頻點在2.40 GHz不發(fā)生偏移；多開關(guān)模式的天線回波損耗諧振頻點在2.40～2.50 GHz之間輕微偏移，但在2.45～2.50 GHz的帶寬中，天線在不同模式下的回波損耗均小于-10 dB.另外，天線設(shè)計的一些工作模式在2.20,2.70 GHz處諧振，這是天線的縫隙單元與饋電網(wǎng)絡(luò)相互作用的結(jié)果，但該影響可以忽略，實際應(yīng)用中可用帶通濾波器抑制不必要的信號.

(a) 單個開關(guān)導(dǎo)通的S11 (b) 多個開關(guān)導(dǎo)通的S11 圖10 天線在不同模式下的回波損耗仿真值Fig.10 Simulation value of return loss of antenna in different modes

當(dāng)f=2.45 GHz時，天線在不同模式下的方向圖仿真結(jié)果，如圖11所示.天線的方向圖特性,如表2所示.表2中：WHPB為半功率波束寬度，WHPB的平均值為136°.由表2可知：增益方向有規(guī)律地變化.天線4個縫隙單元的開口端布置分別朝向0°，90°，180°，270°，當(dāng)其中一個開關(guān)導(dǎo)通時，天線輻射方向?qū)⒀?3n+1)π/6移動，n=0，1，2,3；當(dāng)兩個相鄰開關(guān)導(dǎo)通時，天線輻射方向沿(3n+2)π/6移動，n=0，1，2,3.對于對角開關(guān)，天線方向圖幾乎全向，這是因為對角縫隙單元的方向圖在平面上幾乎是互補的.表2最后一行列出了天線在平面上的最大增益值，兩個相鄰開關(guān)導(dǎo)通的天線最大增益約為2.29 dBi，比單一開關(guān)導(dǎo)通的天線最大增益(2.90 dBi)少0.61 dBi.這是因為兩個相鄰的縫隙單元的電流會相互抵消一部分，沒有抵消的部分正常輻射.因此,該模式下天線的最大增益值減小，輻射寬度增加.

(a) 模式1000 (b) 模式1100 (c) 模式0100 (d) 模式0110

(e) 模式0010 (f) 模式0011 (g) 模式0001 (h) 模式1001

(i) 模式1010 (j) 模式0101 (k) 模式1111 (l) 模式0000 圖11 天線在不同模式下的方向圖仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of antenna pattern in different modes

表2 天線的方向圖特性Tab.2 Antenna pattern characteristics

當(dāng)天線導(dǎo)通的開關(guān)數(shù)為3時，天線的方向圖幾乎全向.天線在其他模式下的回波損耗和方向圖仿真，如圖12所示.

(a) S11 (b) 方向圖圖12 天線在其他模式下的回波損耗和方向圖仿真Fig.12 Simulation of return loss and pattern of antenna in other modes

將這些幾乎全向的模式與模式1010，0101及1111的比較，結(jié)果如表3所示.由表3可知：3個開關(guān)模式在性能方面與對角開關(guān)模式差異很小.因此,從天線的整個系統(tǒng)能量考慮，這些模式在實際應(yīng)用中都可以忽略.

4 結(jié)束語

設(shè)計一種應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)的方向圖可重構(gòu)天線.將多個定向輻射的縫隙單元合成一個天線，使用開關(guān)組合模式，在同一平面上按照目標(biāo)方向位置選擇不同輻射方向圖.仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的天線在xoy平面上有8個定向和多個全向方向圖，達(dá)到全方位面覆蓋，該天線的定向最大增益為2.90 dBi，全向最大增益為1.38 dBi，半功率波束寬度的平均值為136°，且滿足無線通信頻段2.40～2.50 GHz.該天線體積小、制造成本低、平面結(jié)構(gòu)簡單且組裝簡易，可應(yīng)用于WLAN等無線通信系統(tǒng)中，用以降低多徑干擾.