方向圖可重構(gòu)的多方向光束微帶天線

曾 李，凃玲英，豐 勵(lì)，尹龍川，曲元君

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

0 引言

為了應(yīng)對(duì)各種無(wú)線傳播問(wèn)題，例如陰影、多徑干擾[1]和能量浪費(fèi)，通常在射頻前端布置智能天線或方向圖可重構(gòu)天線。如果天線可以調(diào)整其方向圖，使其主波束始終指向移動(dòng)接收機(jī)或發(fā)射機(jī)，而將其他波束抑制在不需要的方向上，則可以緩解這些傳播現(xiàn)象。相控陣天線[2]是最常見(jiàn)的方向圖可重構(gòu)技術(shù)，具有多個(gè)輻射元件和完善的控制算法，但這樣的天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重并增加了系統(tǒng)成本和重量，因此，方向圖可重構(gòu)天線具有重要的研究?jī)r(jià)值。文獻(xiàn)[3?4]提出一種基于有源頻率選擇表面（AFSS）的可重構(gòu)天線，該天線是由蝶形頻率可重構(gòu)饋源和圓柱形AFSS 構(gòu)成，利用AFSS 對(duì)饋源天線激勵(lì)的電磁波進(jìn)行空間調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻段的全向和定向波束的切換，但AFSS 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難且整體尺寸大，造價(jià)高。文獻(xiàn)[5]提出用二氧化釩（VO2）作為印刷開(kāi)關(guān)來(lái)控制單極子天線的方向圖和頻率，但該開(kāi)關(guān)的處理需要復(fù)雜的制造工藝，進(jìn)而導(dǎo)致更高的成本。文獻(xiàn)[6?7]介紹了一種液態(tài)金屬天線，天線由微流體通道內(nèi)的液態(tài)鎵銦合金（EGaIn）組成，通過(guò)通道的電壓控制，使EGaIn 表面上的氧化物電化學(xué)沉積（去除）來(lái)降低（增加）其界面張力，進(jìn)而更改通道中EGaIn 的長(zhǎng)度，相應(yīng)的天線頻率、輻射方向圖也跟著改變，但控制金屬的流速需要較大的直流電流。文獻(xiàn)[8]提出一種光開(kāi)關(guān)可重構(gòu)天線，開(kāi)關(guān)由高阻抗硅片構(gòu)成，在波長(zhǎng)為980 nm 的高功率激光照射下可以改變電導(dǎo)，從而改變天線的方向圖和頻率，但是開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通插入損耗較高且斷開(kāi)隔離度較低。文獻(xiàn)[9]提出一種方向圖可重構(gòu)天線，通過(guò)使用PIN 二極管重新配置放置在輻射偶極子周?chē)募纳鷰罹€來(lái)反射偶極子下的金屬片，可以將天線主波束切換到仰角平面上的5 個(gè)方向，但天線使用了20 個(gè)PIN 二極管，增加了成本，并且大量的偏置電路容易影響天線的輻射性能。

本文基于常見(jiàn)的八木天線原理[10]，設(shè)計(jì)出一種光束切換可重構(gòu)天線，天線工作在5.65～5.95 GHz 頻段，通過(guò)改變PIN 二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)能實(shí)現(xiàn)9 個(gè)不同位置的輻射光束，在所有模式下均能實(shí)現(xiàn)良好的增益，最小增益為7.12 dBi。天線由50 mm2介質(zhì)基板、5 塊金屬貼片和4 個(gè)二極管組成，因此天線體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅使用4 個(gè)PIN 二極管進(jìn)行模式的切換，天線低造價(jià)、功耗低且操作簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于藍(lán)牙、WiFi、WiMAX 等點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線通信系統(tǒng)中。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1a）中：中間的貼片是輻射元件，輻射元件周?chē)? 個(gè)貼片作為寄生元件；d是底層矩形地面和介質(zhì)基板的邊長(zhǎng)；L，W是輻射元件的長(zhǎng)度和寬度；L2，W2是左右2 個(gè)寄生元件的長(zhǎng)度和寬度；L3，W3是上下2 個(gè)寄生元件的長(zhǎng)度和寬度；a是SMA饋電點(diǎn)到輻射貼片底邊的距離；g是寄生貼片與輻射貼片的氣隙距離；D1～D4為開(kāi)關(guān)，詳細(xì)的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1c）所示。

圖1 天線模型

微帶天線的背面通過(guò)50 Ω 的SMA 探頭饋電，饋電位置參數(shù)a經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)所需的輸入阻抗。每個(gè)寄生元件都有一個(gè)連接到天線背面接地平面的開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)可以看作是短路引腳。開(kāi)關(guān)位置距離寄生元件底部v的距離和距離寄生貼片外側(cè)u的距離相同，左右兩個(gè)寄生元件結(jié)構(gòu)相同，上下兩個(gè)寄生元件結(jié)構(gòu)相同。寄生元件在短路和開(kāi)路狀態(tài)之間切換時(shí)，會(huì)導(dǎo)致寄生元件的電流密度發(fā)生變化，進(jìn)而影響輻射元件的方向圖。因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)激活導(dǎo)通，短路引腳對(duì)地短路時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)從寄生元件流向地面，使得寄生元件對(duì)輻射元件起反向器的作用；相反，當(dāng)開(kāi)關(guān)未激活斷開(kāi)時(shí)，感應(yīng)電流不再流向地面，寄生元件對(duì)輻射元件充當(dāng)引向器的作用。

這種設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)中有4 個(gè)開(kāi)關(guān)，因此可以按照4 個(gè)開(kāi)關(guān)順序組合[11]來(lái)表示不同的開(kāi)關(guān)模式。例如：模式1000 表示D1處于導(dǎo)通狀態(tài)，其他開(kāi)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(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，依此類推。通過(guò)組合控制這些開(kāi)關(guān)，可以得到9個(gè)定向光束方向圖。

2 天線參數(shù)分析

采用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件（HFSS）對(duì)天線建模仿真，設(shè)定天線的工作頻率f=5.85 GHz，介質(zhì)基板采用泰康利Taconic TLY，其相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2，厚度h=1.6 mm?？紤]到PIN 二極管的尺寸，留下變量c作為二極管的空間大小，詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 天線的詳細(xì)參數(shù) mm

使用HFSS 軟件設(shè)計(jì)仿真時(shí)，為了獲得較為精確的結(jié)果，選用文獻(xiàn)[12]中BAR50?02V 型號(hào)的二極管參數(shù)，PIN 二極管等效電路可以用HFSS 集總RLC 邊界條件建模，用Rf與Lp串聯(lián)模擬PIN 二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，用Rr和Cr的并聯(lián)再與Lp串聯(lián)模擬PIN 二極管的截止?fàn)顟B(tài)，等效電路如圖2 所示。參數(shù)具體值為：正向電阻Rf為3 Ω，反向并聯(lián)電阻Rr為5 kΩ，二極管電容Cr為0.15 pF，引線電感Lp為0.5 nH。

圖2 PIN 二極管的等效電路圖

從圖1 可以看出，天線的諧振頻率和初始輻射光束主要由中間的輻射元件尺寸和饋電位置決定，因此只需分析輻射元件尺寸對(duì)天線諧振頻率的影響，寄生元件尺寸對(duì)輻射光束的影響。設(shè)定工作頻率為5.85 GHz，借助HFSS 參數(shù)掃描功能，分析參數(shù)對(duì)天線性能的影響。

當(dāng)開(kāi)關(guān)模式為1111 時(shí)，保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，設(shè)置參數(shù)W取值范圍為16～17 mm，反射系數(shù)如圖3所示，可知隨著W值增大，S參數(shù)值越小。

圖3 輻射元件W 與S11 的關(guān)系

當(dāng)開(kāi)關(guān)模式為1111 時(shí)，保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，設(shè)置參數(shù)L取值范圍為15.5～16.5 mm，反射系數(shù)如圖4 所示，可知隨著L值增大，諧振頻率由高頻向低頻移動(dòng)。

圖4 輻射元件L 與S11 的關(guān)系

當(dāng)開(kāi)關(guān)模式為0111，φ=270°時(shí)，保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，設(shè)置參數(shù)W2取值范圍為12～16 mm，方向圖如圖5a）所示，可知隨著W2值的增大，方向圖主瓣增益減小，旁瓣增益和寬度增加；設(shè)置參數(shù)L2的取值范圍為14～16 mm，方向圖如圖5b）所示，可知隨著L2值的增大，最大增益方向先右偏再轉(zhuǎn)向左偏，L2影響著天線輻射光束的方向性。

圖5 寄生元件尺寸對(duì)方向圖的影響

當(dāng)開(kāi)關(guān)模式為0111，φ=270°時(shí)，保持天線其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，設(shè)置參數(shù)u取值范圍為2～6 mm，方向圖如圖6a）所示，可知隨著u值的增大，方向圖主瓣增益增大，旁瓣增益和寬度減?。辉O(shè)置參數(shù)v取值范圍為2.5～6.5 mm，方向圖如圖6b）所示，可知隨著v值的增大，最大增益方向左偏，降低了寄生元件對(duì)輻射光束的作用。

圖6 開(kāi)關(guān)短路結(jié)構(gòu)位置對(duì)方向圖的影響

3 仿真結(jié)果分析

圖7 顯示在9 種開(kāi)關(guān)模式下的回波損耗?？梢灶A(yù)測(cè)，寄生元件的電流變化只影響輻射元件的輻射方向圖，不影響輻射元件的諧振頻率，因此天線所有模式的諧振頻率基本穩(wěn)定在5.85 GHz，不受開(kāi)關(guān)變化的影響，但左右寄生元件與上下寄生元件的尺寸不同，導(dǎo)致了一些開(kāi)關(guān)模式的S參數(shù)值并不相同。從圖中可以看到天線工作在5.65～5.95 GHz 頻段，不同開(kāi)關(guān)模式下的反射系數(shù)均保持小于-10 dB，這證明該天線具有良好的阻抗匹配性能。

圖7 天線在不同模式下的回波損耗仿真值

在圖8 中可以看到不同開(kāi)關(guān)模式下天線的表面電流分布，黑色箭頭表示不同開(kāi)關(guān)模式下所形成的輻射光束方向。該天線的輻射光束能轉(zhuǎn)動(dòng)9 個(gè)φ角，當(dāng)開(kāi)關(guān)D1～D4都處于ON 狀態(tài)時(shí)，寄生元件互相平衡，光束沿z軸定向輻射；當(dāng)開(kāi)關(guān)D1處于OFF 狀態(tài)，D2～D4處于ON 狀態(tài)時(shí)，輻射方向圖在3 個(gè)反向器和1 個(gè)引向器的作用下，光束轉(zhuǎn)向φ=270°；當(dāng)開(kāi)關(guān)D1、D4處于OFF 狀態(tài)，D2、D3處于ON 狀態(tài)時(shí)，輻射方向圖在2 個(gè)反向器和2 個(gè)引向器相互作用下，光束轉(zhuǎn)向φ=225°。類似地，可以將光束轉(zhuǎn)向至其他角度。

圖8 天線在不同模式下的電流分布及輻射光束方向

圖9 展示了天線在5.85 GHz 時(shí)不同開(kāi)關(guān)模式下的輻射光束三維仿真。當(dāng)φ值取最大輻射方向，輻射光束對(duì)應(yīng)的方向圖如圖10 所示，特性總結(jié)見(jiàn)表2。第一列是開(kāi)關(guān)模式，數(shù)字1 代表開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，數(shù)字0 代表開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。最大增益方向在第二列中，表明增益方向有規(guī)律地變化。φ值確定之后，天線的輻射方向角θ主要由寄生元件的尺寸、寄生元件與輻射元件的氣隙距離和開(kāi)關(guān)短路結(jié)構(gòu)位置決定，優(yōu)化這些參數(shù)可以獲得較為理想的傾斜角。第三列是半功率波束寬度（HPBW），其中開(kāi)關(guān)模式1111 的波束寬度為97°，與其他開(kāi)關(guān)模式相差較大，這是因?yàn)樽笥? 個(gè)寄生元件當(dāng)作反向器時(shí)作用力大于上下2 個(gè)寄生元件的作用力，從天線頂端看輻射光束形成左右短上下長(zhǎng)的十字形，因此當(dāng)φ=0°時(shí)方向圖的波束寬度較大。天線開(kāi)關(guān)其他模式的波束寬度較為穩(wěn)定，平均值為57.38°。最后一列顯示了天線不同開(kāi)關(guān)模式的最大增益值，可以看出天線有很高的增益，且不同模式下的增益值相差很小。

圖9 天線在不同模式下的輻射光束三維仿真

圖10 天線在不同模式下的方向圖仿真

表2 天線的方向圖特性

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種小型緊湊，多方向性方向圖可重構(gòu)的天線。天線設(shè)計(jì)基于常見(jiàn)的八木天線原理，主輻射元件被4 個(gè)寄生元件包圍，并且使用4 個(gè)PIN 二極管開(kāi)關(guān)將寄生元件對(duì)地短路或開(kāi)路，寄生元件短路時(shí)作為反向器，開(kāi)路時(shí)作為引向器。仿真結(jié)果表明，天線工作帶寬范圍為5.65～5.95 GHz，可以在9 個(gè)不同的方向角度上提供波束控制，(φ,θ)=（0°，0°），（270°，22°），（225°，19°），（180°，19°），（135°，21°），（90°，24°），（45°，19°），（0°，19°）和（315°，19°），所有模式實(shí)現(xiàn)的增益水平大于7.0 dBi。該天線體積小、制造成本低，簡(jiǎn)單的平面結(jié)構(gòu)易于組裝，可作為WiMAX、WiFi 和Bluetooth 等應(yīng)用的潛在方案選擇，應(yīng)用在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線通信系統(tǒng)中。