王 任，王秉中，丁 霄

（電子科技大學(xué)應(yīng)用物理研究所 成都 610054 ）

一種新型寬帶方向圖可重構(gòu)天線(xiàn)

王 任，王秉中，丁 霄

（電子科技大學(xué)應(yīng)用物理研究所 成都 610054 ）

設(shè)計(jì)了一種具有兩個(gè)輻射模式的寬帶方向圖可重構(gòu)天線(xiàn)。該天線(xiàn)由兩個(gè)準(zhǔn)八木天線(xiàn)單元組成，兩個(gè)單元的輻射體分別指向相反的方向。兩個(gè)單元使用同一根同軸線(xiàn)從背面饋電，在每個(gè)單元的饋線(xiàn)與同軸線(xiàn)饋點(diǎn)之間安裝一個(gè)PIN二極管以控制輻射模式。在天線(xiàn)振子的下方安裝反射板用以調(diào)節(jié)天線(xiàn)的輻射方向，避免了天線(xiàn)對(duì)射頻組件的干擾。仿真結(jié)果顯示，天線(xiàn)的工作頻段為5.00～5.65 GHz，兩種模式的主瓣分別指向θ=±55°，3 dB波瓣寬度均為110°，工作頻段內(nèi)增益為7.3～7.7 dB，調(diào)節(jié)反射板的尺寸可以改變天線(xiàn)的主瓣指向。對(duì)該天線(xiàn)進(jìn)行了實(shí)際制作和測(cè)量，實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果較吻合。該天線(xiàn)可以用于智能通信系統(tǒng)。

寬帶； 二極管開(kāi)關(guān)； 準(zhǔn)八木天線(xiàn)； 方向圖調(diào)節(jié)； 可重構(gòu)天線(xiàn)

方向圖可重構(gòu)天線(xiàn)在通信系統(tǒng)中能有效地?cái)U(kuò)大天線(xiàn)的波束覆蓋范圍［1-6］，能根據(jù)通信環(huán)境的變化實(shí)時(shí)改變發(fā)射和接收天線(xiàn)的方向圖，有效地減弱噪聲干擾，提高信息傳輸速率［7-10］，因而近年來(lái)受到了廣泛的研究。

文獻(xiàn)［7-8，10］分別設(shè)計(jì)了用于智能通信系統(tǒng)的方向圖可重構(gòu)天線(xiàn)，這些天線(xiàn)均在天線(xiàn)中心部位從背面饋電，天線(xiàn)輻射體位于饋電點(diǎn)周?chē)?，通過(guò)接通不同的輻射體實(shí)現(xiàn)波束切換。但是這些天線(xiàn)存在一個(gè)共同的不足：沒(méi)有考慮天線(xiàn)輻射對(duì)天線(xiàn)背面射頻組件的影響，當(dāng)天線(xiàn)對(duì)背面射頻電路輻射較強(qiáng)時(shí)，可能會(huì)影響?zhàn)侂婋娐返男阅?，?dāng)功率較大時(shí)甚至燒壞電路。

本文以傳統(tǒng)準(zhǔn)八木天線(xiàn)為基礎(chǔ)，將兩個(gè)準(zhǔn)八木天線(xiàn)單元反向印制在介質(zhì)基板上，組成一個(gè)具有兩種工作模式的方向圖可重構(gòu)天線(xiàn)。饋電點(diǎn)位于天線(xiàn)的介質(zhì)板中心位置，采用同軸線(xiàn)背饋方式，在每個(gè)天線(xiàn)單元的饋線(xiàn)與同軸線(xiàn)饋點(diǎn)之間安裝一個(gè)PIN二極管，當(dāng)兩個(gè)二極管中的一個(gè)導(dǎo)通一個(gè)截止時(shí)則產(chǎn)生一種輻射模式。通過(guò)在激勵(lì)振子的下方增加反射板，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天線(xiàn)方向圖的調(diào)節(jié)，可以避免天線(xiàn)向背面輻射，為背饋的方向圖可重構(gòu)天線(xiàn)與射頻組件的集成提供了避免干擾的途徑。

1 方向圖可重構(gòu)天線(xiàn)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)八木天線(xiàn)的方向圖重構(gòu)，本文將兩個(gè)準(zhǔn)八木天線(xiàn)反向放置，饋電點(diǎn)位于天線(xiàn)的介質(zhì)板中心位置，采用同軸線(xiàn)背饋方式，同軸線(xiàn)的特征阻抗為50 ?。同時(shí)，在每個(gè)天線(xiàn)單元的饋線(xiàn)與同軸線(xiàn)饋點(diǎn)之間安裝一個(gè)PIN二極管，通過(guò)直流偏置電路控制二極管的通斷，從而使天線(xiàn)在不同工作模式間切換。

1.1 準(zhǔn)八木天線(xiàn)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［11］指出將準(zhǔn)八木天線(xiàn)的其中一個(gè)振子與地板相連，可以利用地板電流的特點(diǎn)省去饋電巴倫。鑒于此，本文將兩個(gè)振子分別印制在介質(zhì)板的正面和背面，一個(gè)振子與正面饋線(xiàn)連接，另一個(gè)振子與地板連接，天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

天線(xiàn)的中心頻率設(shè)計(jì)為5.3 GHz，激勵(lì)振子長(zhǎng)度L1約為0.5λg， λg為5.3 GHz對(duì)應(yīng)波導(dǎo)波長(zhǎng)，則有［12］：

式中， εe為結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)； λ0為自由空間的波長(zhǎng)。

天線(xiàn)印制在相對(duì)介電常數(shù)為2.65、厚度為0.8 mm的聚四氟乙烯基板上。饋電同軸線(xiàn)外導(dǎo)體與介質(zhì)板背面的地板相連，內(nèi)導(dǎo)體通過(guò)介質(zhì)板通孔與正面的中心金屬焊盤(pán)相連，中心金屬焊盤(pán)是邊長(zhǎng)為L(zhǎng)7的正方形。

為了改變并控制準(zhǔn)八木天線(xiàn)的輻射方向，避免天線(xiàn)的輻射干擾背面的射頻組件，在天線(xiàn)激勵(lì)振子的下方放置反射金屬板，反射金屬板中心位置與激勵(lì)振子中心位置處于同一豎直線(xiàn)上。反射板與介質(zhì)基板之間填充塑料泡沫，塑料泡沫的相對(duì)介電常數(shù)為1.06。改變金屬反射板的長(zhǎng)度、寬度及其與介質(zhì)基板的距離可以改變天線(xiàn)的輻射方向。天線(xiàn)各部分的尺寸如表1所示。

表1 天線(xiàn)尺寸表

1.2 二極管直流偏置電路設(shè)計(jì)

為了控制不同的準(zhǔn)八木天線(xiàn)單元工作，實(shí)現(xiàn)工作模式的切換，采用PIN二極管作為開(kāi)關(guān)，偏置電路的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其直流偏置電路原理如圖2所示，其中+Vcc和Gnd分別接直流控制電源的正負(fù)極。為了避免直流和射頻的互相干擾，在二極管的負(fù)極與射頻饋電點(diǎn)之間使用電容C進(jìn)行隔離，并將二極管負(fù)極通過(guò)1/4λg高阻抗短路線(xiàn)L8和電感L接地，直流偏置電路與射頻電路共地。在二極管的正極，通過(guò)電感L阻斷射頻信號(hào)對(duì)直流的干擾，并通過(guò)電阻R對(duì)直流信號(hào)降壓，避免燒壞二極管。電阻、電感等集總元件的兩端通過(guò)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)7的焊盤(pán)連接。各集總元件的數(shù)值分別為R=2.2 k?，L=1 mH，C=10 pF。

圖2 二極管直流偏置電路

通過(guò)控制二極管D1和D2的通斷，天線(xiàn)可以工作在兩種模式：當(dāng)D1導(dǎo)通、D2截止時(shí)，天線(xiàn)工作在模式一；當(dāng)D1截止、D2導(dǎo)通時(shí)，天線(xiàn)工作在模式二。在仿真時(shí)，使用2 mm×3 mm的銅片代替二極管，有銅片表示二極管導(dǎo)通，無(wú)銅片表示二極管截止。

2 仿真及測(cè)試結(jié)果

使用電磁仿真軟件CST Microwave Studio 對(duì)天線(xiàn)模型進(jìn)行仿真，制作了天線(xiàn)的實(shí)物并使用Agilent E8361A型網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波暗室對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行了測(cè)試。天線(xiàn)及其測(cè)試場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 天線(xiàn)及其測(cè)試場(chǎng)景

由于該天線(xiàn)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故天線(xiàn)在兩種模式下的反射系數(shù)參數(shù)相同，其仿真與測(cè)試結(jié)果如圖4所示。S11小于-10 dB的仿真帶寬為650 MHz （5.00～5.65 GHz），小于-10 dB的測(cè)試帶寬為750 MHz（5.00～5.75 GHz），仿真與測(cè)試結(jié)果較吻合。

圖4 天線(xiàn)的仿真與測(cè)試S11參數(shù)

圖5為天線(xiàn)的兩種模式在5.3 GHz時(shí)的3D方向圖，在兩種模式下方向圖分別指向不同的方向，實(shí)現(xiàn)了方向圖的重構(gòu)。由于重構(gòu)模式的對(duì)稱(chēng)性，故下面將對(duì)其中一種工作模式進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖5 天線(xiàn)的仿真3D方向圖

圖6為模式二在5.3 GHz時(shí)yoz面的方向圖。該模式下仿真主瓣方向?yàn)棣?-55°，3 dB波瓣寬度為110°，測(cè)試主瓣方向?yàn)棣?-57°，3 dB波瓣寬度為108°。主瓣內(nèi)的仿真和測(cè)試交叉極化均小于-15 dB。圖7為模式二在5.3 GHz時(shí)的xoy面方向圖，該模式下仿真主瓣方向?yàn)棣?-90°，3 dB波瓣寬度為120°，測(cè)試主瓣方向?yàn)棣?-86°，3 dB波瓣寬度為122°。主瓣內(nèi)的仿真和測(cè)試交叉極化均小于-15 dB。

圖8為天線(xiàn)在工作頻帶內(nèi)的測(cè)試最大增益和效率。該天線(xiàn)的最小增益為5.5 dB，最大增益為6.5 dB，天線(xiàn)的增益較為平穩(wěn)。天線(xiàn)的效率變化范圍為0.69～0.82，其工作效率較高。

圖6 模式二的仿真和測(cè)試yoz面方向圖

圖7 模式二的仿真和測(cè)試xoy面方向圖

圖8 天線(xiàn)的測(cè)試最大增益和效率

3 結(jié)果分析

在本文設(shè)計(jì)中，反射板對(duì)天線(xiàn)的性能有重要的影響。討論反射板的影響可以更深入地了解此類(lèi)天線(xiàn)的性能，便于根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境調(diào)節(jié)反射板，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)八木天線(xiàn)的方向圖的控制。當(dāng)天線(xiàn)工作在模式一時(shí)，其5.3 GHz有無(wú)反射板情況下yoz面的方向圖如圖9所示，沒(méi)有反射板時(shí)天線(xiàn)的主瓣指向?yàn)棣?90°，增加反射板之后，主瓣的指向?yàn)棣?55°，可見(jiàn)反射板可以使天線(xiàn)的方向圖向遠(yuǎn)離反射板的方向偏轉(zhuǎn)。下面分別討論反射板距介質(zhì)板的高度H、反射板長(zhǎng)度Lr和反射板寬度Wr對(duì)天線(xiàn)性能的影響。

圖9 有無(wú)反射板天線(xiàn)yoz面方向圖對(duì)比

圖10為反射板高度H對(duì)S11參數(shù)的影響，當(dāng)H較小時(shí)（H=10 mm和H=19.4 mm），S11最低點(diǎn)低于不加反射板時(shí)10 dB，差異較大；當(dāng)H較大時(shí)（H=30 mm和H=40 mm），S11與不加反射板時(shí)差異較小，反射板對(duì)天線(xiàn)的影響減弱。圖中所示的5種情況，S11小于-10 dB的頻帶范圍均在4.90～5.65 GHz，帶寬均在610～690 MHz之間。由此可知，雖然H對(duì)天線(xiàn)S11參數(shù)的最小值有較大的影響，但對(duì)工作帶寬影響較小。圖11為高度H對(duì)增益的影響，有反射板時(shí)的增益大于沒(méi)有反射板時(shí)的增益，隨著H的增加，增益先增加再減小，當(dāng)H=30 mm時(shí)達(dá)到最大值，5.3 GHz時(shí)的最大增益為8.2 dB。

圖12為反射板長(zhǎng)度Lr對(duì)S11的影響，與不加反射板相比，Lr對(duì)帶寬的影響不大，圖示各種情況之間的帶寬差均小于50 MHz。圖13為L(zhǎng)r對(duì)天線(xiàn)增益的影響，有反射板時(shí)的增益大于沒(méi)有反射板時(shí)的增益，并且Lr越大增益越大，當(dāng)Lr=35 mm時(shí)，最大增益比不加反射板時(shí)大2 dB。

圖14為反射板寬度Wr對(duì)天線(xiàn)S11參數(shù)的影響，與不加反射板相比，Wr對(duì)帶寬的影響較小，圖中各種情況之間的帶寬差均小于30 MHz。圖15為反射板寬度Wr對(duì)增益的影響，當(dāng)Wr=15 mm（小于激勵(lì)振子長(zhǎng)度L1）時(shí)，天線(xiàn)的最大增益小于不加反射板時(shí)的最大增益。當(dāng)反射板寬度Wr大于振子長(zhǎng)度L1時(shí)，天線(xiàn)的最大增益大于不加反射板時(shí)的增益；并且Lr越大增益越大。

圖10 反射板高度H對(duì)S11的影響

圖11 反射板高度H對(duì)增益的影響

圖12 反射板長(zhǎng)度Lr對(duì)S11的影響

圖13 反射板長(zhǎng)度Lr對(duì)增益的影響

圖14 反射板寬度Wr對(duì)S11的影響

圖15 反射板寬度Wr對(duì)增益的影響

通過(guò)以上分析可知，反射板可以對(duì)天線(xiàn)的方向圖、S11參數(shù)和增益產(chǎn)生影響，改變天線(xiàn)的輻射方向和增益，但是對(duì)天線(xiàn)的帶寬影響比較小。使在不影響天線(xiàn)帶寬的情況下改變天線(xiàn)的輻射方向、控制天線(xiàn)的增益成為可能，為適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境而調(diào)節(jié)天線(xiàn)的方向圖提供了條件。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文將兩個(gè)準(zhǔn)八木天線(xiàn)組合，并加入二極管及其偏置電路，在保證一定工作帶寬的情況下，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)八木天線(xiàn)的方向圖重構(gòu)。通過(guò)在激勵(lì)振子的下方增加反射板，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天線(xiàn)方向圖的調(diào)節(jié)，提供了一種在對(duì)工作帶寬影響較小的前提下控制八木天線(xiàn)輻射方向的方法，避免了天線(xiàn)向背面輻射，為背饋方向圖可重構(gòu)天線(xiàn)與射頻組件的集成提供了的避免干擾的途徑。該天線(xiàn)可以用于智能通信系統(tǒng)。

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編 輯 黃 莘

A Novel Broadband Antenna with Pattern Reconfigurability

WANG Ren，WANG Bing-zhong， and DING Xiao
（Institute of Applied Physics， University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054）

A novel wideband antenna with two reconfigurable radiating patterns is presented. The proposed antenna is made of two quasi-Yagi antennas， with their radiations directing to opposite directions， respectively. The two elements are fed with one coaxial cable from the back of the dielectric substrate. A PIN diode is embedded between the feeding line of each element and coaxial cable to regulate the radiating pattern. Besides， reflectors are set under the arms of the driver dipole to regulate the radiating direction and avoid interference with radio components. Simulated results show that the proposed antenna can work at 5.00 GHz to 5.65 GHz， the main beams of the two modes direct to ±55° respectively， and the 3dB beam-widths of main beams are all 110°. The gain within the operating bandwidth is 7.3 dB to 7.7 dB. The main beam direction of the proposed antenna can be regulated by the size of reflectors. The antenna was fabricated and measured. The measurement results are good with the simulation results. The antenna presented can be used in intelligent communication systems.

broadband； diode switch； quasi-Yagi antenna； radiation pattern regulating； reconfigurable antenna

O45； TN82

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.010

2013 - 12 - 17；

2014 - 10 - 08

國(guó)家自然科學(xué)基金（61071031， 61331007， 61401065）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金（20100185110021， 20120185130001）

王任（1990 - ），男，博士生，主要從事天線(xiàn)理論與技術(shù)方面的研究.