一种同频方向图可重构平面折合偶极子微带天线

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                1  引言

                        可重构天线技术作为一种新的天线技术，并将成为下一代移动通信的核心技术，已经受到了国内外学都的广泛关注。可重构天线共用一个辐射口径，通过开关改变其输入阻抗、工作频率、雷达散射截面、辐射方向图和极化方式等参数，以适应不同的电磁环境和功能需要。方向图可重构天线可以通过重构天线的方向图特性，避免噪声干扰，提高系统的增益和安全性能，同时定向辐射也可以节约能量。
                         
                        目前在可重构天线的研究中，频率可重构天线的研究较多，技术也较成熟，而保持工作频率不变的方向图可重构天线的研究相对较少，设计难度也较大，但是其性能更优。通过改变寄生元件的长度实现方向图可重构是目前方向图可重构的主要方法。保持波瓣形状基本不变，而主瓣角度改变是目前方向图可重构天线常采用的方式。在同一副天线上实现全向和定向方向图的可重构天线较少，实现同频工作的全向与定向方向图更少。
                         
                        本文提出了一种同频方向图可重构平面折合偶极子微带天线，通过改变开关状态使天线的辐射方向图在全向与定向之间重构，工作频段保持在3.76～4.3GHz，实现同频工作。在4GHz天线在定向辐射时的最高增益为6.7dBi,全向辐射时的最大增益为3.9dBi。该天线可以应用在不同的无线通信场合，可以根据实现通信环境的需要实时的选择合适的辐射方向图，从而提高系统性能。
                         
                        2  天线设计与分析

                        天线结构如图1所示，天线由两个关于XOZ面对称的半波折合偶极子结构和“工”字形部分接地结构组成。对称的半波折合偶极子结构具有可重构的潜力，而“工”字形的部分接地结构使该天线具有小型化和宽频带的特点。
                         
                        该天线结构重构的原理：当对两个折合偶极子同时馈电时，辐射方向图为全向，仅对一边折合偶极了馈电时，辐射方向图为定向。为了达到重构的目的，在折合偶极子与微带馈线连接的臂中安装了3个开关A、B、C。为了使天线在两种工作状态下能工作在同一频段，且保持宽频带特性，在微带馈线的一边增加了一支调节臂，用于天线工作在全向辐射方向图时调节天线的工作频带和带宽，因此在此臂中安装了开关D，当天线的辐射方向图为全向的时候起调节作用，辐射方向图为定向的时候不起调节作用。开关状态与辐射方向的对应关系如表1所示。
                         
                        表1  开关状态与辐射方向的对应表
       

开关	A	B	C	D
定向	开	关	关	开
全向	关	开	开	关

                        天线设计以中心工作频率f0=4GHZ进行设计，折合振子的线宽t=1.5mm,间距s2=1mm，缝隙s3=0.5mm。由于本文中的折合偶极子的横向长度L1较大，所以竖直长度L2不等于二分之一工作波长，在介电常数和工作频率一定的情况下，根据折合偶极子的总长为一个工作波长，L1和L2之间的关系为：L1+L2=20mm。部分接地结构中d1=11mm,约为四分之一波长。微带馈线的特性阻抗设计为50Ω，对应的微带线宽度Wg根据公式(1)确定,计算得到Wg=2.2mm。
                        （1）
                        式(1)成立的条件为 ，式中 为自由空间的波阻抗， 为有效介电常数：
                          （2）
                        式(2)中的 为介质板的相对介电常数。
                         
       

               

       

                图1  天线结构示意图

                 
                        研究表明参数L1、Lg、L3、L4、W1、s1、d2是影响天线带宽和辐射方向图的关键参数，将通过优化确定其取值。确定过程，分为两步完成，首先是设计一个定向的微带天线，根据目标优化得到L1、Lg、s1、d2取值，然后在定向微带天线的基础上设计全向的微带天线，根据目标优化得到L3、L4、W1的取值。
                         
                        仿真过程中，开关处于闭合状态时即连接上宽度为0.5mm的贴片，开关处于断开状态时则去掉该贴片，即采用理想的开关模型。
                         
                        2.1  确定参数 L1、Lg、s1、d2

                        根据表1辐射方向图与开关组合状态的对应表，天线的辐射为定向方向图时，开关A处于断开状态，开关B和C处于闭合状态，微带馈线对左边的折合偶极子馈电，开关D处于断开状态，调节臂不起调节作用。待优化参数及优化结果如表2所示。
                       
                表2  待优化参数及优化结果(mm)
       

优化变量	L1	Lg	s1	d2
最小值	2.5	1	1	3
最大值	6	6	3	11
优化结果	6	1.3	1.5	9.9

                         

                        2.2  确定参数 L3、L4、W1

                        在定向辐射方向图的天线结构基础上进行全向方向图辐射方向图天线的设计。当L3=0mm、L4=0mm、W1=0mm，定向辐射天线结构与全向辐射天线结构所对应的回波损耗图2。从图可以看到，定向辐射方向图对应天线结构的工作频带在3.7GHz～4.4GHz,相对带宽约为17%。而从全向辐射方向图对应天线结构的回波损耗曲线在3.5GHz～4.5GHz内不能获得良好的匹配。
                         
                        为了实现该可重构天线的同频工作，使天线开关安装于距微带馈线边沿L3的位置，但这使天线的工作频率升高，为了使天线保持同频工作，在微带馈线的右边增加了一个调节臂，一方面是可以降低天线的工作频率，另一方面可以调节天线的阻抗匹配。待优化参数及优化结果如表3所示。
                         
                        根据优化得到的参数结果计算得到天线的总体尺寸为38.4mm×23.2mm×1mm。
                         
       

               

       

                图2  回波损耗曲线

                 
                        表3  待优化参数及优化结果（mm）
       

优化变量	L3	L4	W1
最小值	1.1	1	1
最大值	5.5	3	6
优化结果	4.7	2.3	5.8

                         

                        3  结果分析  

                        图3为方向图可重构微带天线在两种工作状态下的回波损耗曲线，可以看出天线在定向辐射时的工作频带为3.7GHz～4.4GHz，相对带宽为17%，全向图射时的工作频带为3.76GHz～4.3GHz，相对带宽为13%。因此该方向图可重构天线在两种状态下有相同的工作频带3.76GHz～4.3GHz，相对带宽为13%。
                         
                        图4为定向辐射时的三维增益方向图，最大辐射方向 。天线的增益达到了6.7dBi,前后比为5.8,3dB波瓣宽度为76度。 平面内3dB波瓣宽度为106度。
                        图5为定向辐射时的三维增益方向图，天线方向图在YOZ平面内为全向。最大辐射方向 。最在大增益为3.9dBi。 平面内的3dB波瓣宽度为76度。
                         
       

               

       

                图3  方向图可重构微带天线的回波损耗曲线

       

               

       

                图4  定向辐射时的三维辐射方向图(f=4GHZ)

       

               

       

                图5  全向辐射时的三维辐射方向图(f=4GHZ)

                         
                        4  结论

                        本文提出一种同频全向与定向方向图可重构折合偶极子微带天线，通过优化关键参数L1、Lg、L3、L4、W1、s1、d2的尺寸，使天线在3.76GHz～4.3GHz上实现了全向辐射方向图和定向辐射方向图的重构。该天线在无线通信系统中有很好的应用潜力。