劉倩倩　陳婭莉　宗衛(wèi)華　李山東

文章編號：10069798（2022）02002007;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.004

摘要：針對機(jī)械控制和電控制存在的天線切換速度慢、復(fù)雜度高和成本低等問題，本文主要對一種方向圖可重構(gòu)微帶貼片天線進(jìn)行設(shè)計(jì)。提出一種具有5種波束指向的方向圖可重構(gòu)貼片天線，該天線由輻射貼片和4個(gè)寄生貼片組成，采用同軸線饋電，通過控制地面加載開關(guān)，寄生貼片可以在指向器和反射器之間進(jìn)行切換，從而實(shí)現(xiàn)方向圖的重構(gòu)，同時(shí)對3種固定狀態(tài)的天線原型進(jìn)行加工測試，并采用AnsysHFSS軟件，對天線進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，該天線波束可以在92°，180°，267°和350°以及+z方向這5種指向中進(jìn)行切換，實(shí)測天線模式1、模式2和模式5的共同帶寬為2.43～2.45GHz，水平面上波束指向分別為31°和80°，垂直面上的傾斜角度為6°，3種狀態(tài)下的天線增益為3.1～3.9dBi，3dB波瓣寬度均小于70°，測試結(jié)果和仿真結(jié)果較為吻合，驗(yàn)證了該天線方向圖可重構(gòu)的特性。該天線結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，適用于無線局域網(wǎng)（wirelesslocalareanetwork，WLAN）系統(tǒng)中，該研究具有一定的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：可重構(gòu)天線;微帶貼片天線;方向圖;波束可調(diào)

中圖分類號：TN828文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

方向圖可重構(gòu)天線可以通過機(jī)械控制和電子開關(guān)等方式改變天線的輻射方向，實(shí)現(xiàn)波束掃描。同時(shí)，工作頻率等其他性能保持不變，在一個(gè)天線上完成多個(gè)天線的功能，從而擴(kuò)大天線的波束覆蓋范圍，降低噪聲干擾，提高無線通信系統(tǒng)的靈活性，適應(yīng)更加復(fù)雜多變的環(huán)境。近年來，方向圖可重構(gòu)天線被廣泛應(yīng)用于小基站以及射頻識別（radiofrequencyidentification，RFID）等需要實(shí)時(shí)改變輻射方向的領(lǐng)域中。方向圖的重構(gòu)，是通過改變天線的電流分布來實(shí)現(xiàn)，通過重構(gòu)天線結(jié)構(gòu)，可以激發(fā)不同的輻射模式，如改變輻射貼片結(jié)構(gòu)[14]、寄生貼片結(jié)構(gòu)[58]以及接地面結(jié)構(gòu)[910]，這種實(shí)現(xiàn)方法可對天線進(jìn)行簡單地控制，但電子開關(guān)的加載對天線影響較大，需要額外設(shè)計(jì)偏置網(wǎng)絡(luò)。另外，將移相器和功分器進(jìn)行結(jié)合，通過改變饋入相位也可實(shí)現(xiàn)方向圖的重構(gòu)[1112]，但移相器和功分器增加了天線的尺寸和制作成本。使用波束成形網(wǎng)絡(luò)，并選擇不同的饋電口饋電[1314]，此種實(shí)現(xiàn)方法無需為天線加載電子開關(guān)，但會(huì)增加天線饋電端口數(shù)量和天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。通過在貼片天線上方加載可重構(gòu)的超表面，可以實(shí)現(xiàn)天線輻射方向的重構(gòu)[1519]，由于開關(guān)加載在天線上方的超表面中，所以開關(guān)對天線的輻射性能影響較小，但超表面的加載增加了天線的剖面高度，且天線波束傾斜角度較小。天線切換方式主要有機(jī)械控制[8，1920]和電控制[17，918]兩種，機(jī)械控制切換速度慢、復(fù)雜度高，而電控制切換速度快，成本低?；诖?，本文主要對一種方向圖可重構(gòu)微帶貼片天線進(jìn)行設(shè)計(jì)。在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，增加了寄生貼片的數(shù)量，所提出的方向圖可重構(gòu)天線，通過在地面中加載開關(guān)，改變寄生貼片的電長度，實(shí)現(xiàn)天線5種輻射方向的重構(gòu)，擴(kuò)大了天線的波束覆蓋范圍。同時(shí)，采用AnsysHFSS軟件，對天線進(jìn)行仿真測試，測試結(jié)果驗(yàn)證了該天線方向圖可重構(gòu)的特性。該研究具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性。

1天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文對方向圖可重構(gòu)微帶貼片天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，天線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該天線由位于中心的矩形輻射貼片和4個(gè)相同的矩形寄生貼片組成，激勵(lì)貼片與寄生貼片之間的距離較小，以利于貼片之間的耦合。每個(gè)寄生貼片邊緣處均設(shè)置一個(gè)金屬通孔，通孔半徑為0.2mm。金屬通孔所對應(yīng)的底面位置設(shè)置4個(gè)半徑為4mm的圓形縫隙結(jié)構(gòu)，用于安裝開關(guān)，并控制通孔與地面之間的連接，在高頻結(jié)構(gòu)仿真（highfrequencystructuresimulator，HFSS）軟件中，使用理想導(dǎo)體模擬開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。

采用厚度為1mm的FR4天線基板，其相對介電常數(shù)為4.4，介質(zhì)損耗角正切，為0.02?；迕娣e為140mm×110mm，其背面接50Ω同軸饋電線。天線各尺寸參數(shù)如下：w=40.5mm，l=28.8mm，wp=36.5mm，lp=28mm，g=2mm，u=8.7mm，v=3.8mm，a=7.3mm。通過控制開關(guān)的狀態(tài)天線，共有5種模式，天線工作狀態(tài)開關(guān)配置如表1所示。

2.1天線電流分析

天線各狀態(tài)電流分布圖如圖2所示，通過控制寄生貼片在短路和開路狀態(tài)之間的切換，可以改變寄生貼片的電長度。由八木天線理論可知，開路寄生貼片呈容性，為指向器，而其它短路寄生貼片呈感性，為反射器，因此波束朝向指向器方向偏轉(zhuǎn)。因此，通過切換寄生貼片的開路/短路狀態(tài)，可以重構(gòu)天線表面的電流分布，從而實(shí)現(xiàn)波束指向的改變。

2.2天線尺寸參數(shù)分析

增加寄生貼片數(shù)量至4個(gè)后，為使天線達(dá)到最佳阻抗匹配及最大波束傾斜角度，需對天線的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括輻射貼片寬度l、寄生貼片寬度lp、輻射貼片與寄生貼片之間的距離g以及饋電位置a。采用HFSS軟件，仿真分析這些參數(shù)對天線性能的具體影響，當(dāng)一個(gè)參數(shù)變化時(shí)，其他參數(shù)均保持不變。

輻射貼片寬度l對天線S11的影響如圖3所示。由圖3可以看出，輻射貼片寬度l主要影響天線的諧振頻率和阻抗匹配，隨著l的增大，電流路徑變大，因此天線諧振頻率逐漸降低，帶寬左移，且諧振頻率處S11的值降低。由于所設(shè)計(jì)天線的目標(biāo)頻段為無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（wirelessfidelity，WIFI）2.4GHz（2.4～2.4835GHz）頻段中，因此選擇l=28.8mm。

寄生貼片寬度lp對天線方向圖的影響如圖4所示，由圖4可以看出，lp主要影響波束的傾斜角度和增益值，隨著lp的增加，天線增益值和偏轉(zhuǎn)角度均增大，當(dāng)lp增加至28mm時(shí)，天線的波束傾斜角度達(dá)到最大值4°，增益值為4.78dBi，但當(dāng)lp增加至29mm時(shí)，天線波束朝反方向傾斜10°，且增益值下降1.44dBi，為使天線增益值和傾斜角度最大，且波束指向目標(biāo)方向，選擇lp=28mm。

輻射與寄生貼片間的距離對天線S11的影響如圖5所示，輻射與寄生貼片間的距離對方向圖的影響如圖6所示。由圖5和圖6可以看出，輻射與寄生貼片間的距離g主要影響天線的阻抗匹配和增益值。當(dāng)寄生貼片距離輻射貼片1mm時(shí)，增益值增加0.23dBi，但S11值升高1.54dB;當(dāng)寄生貼片與輻射貼片的距離增大至4mm時(shí)，S11值下降2.13dB，但增益值降低0.51dBi。通過對貼片距離g的4個(gè)不同尺寸對比，發(fā)現(xiàn)隨著g的增大，天線的阻抗匹配變好，但天線增益值逐漸下降，帶寬和波束傾斜角度變化不明顯。因此，綜合考慮天線的阻抗匹配及增益值，g的最優(yōu)值為2mm。

饋電位置a對天線S11的影響如圖7所示，饋電位置a對方向圖的影響如圖8所示，由圖7和圖8可以看出，饋電位置主要影響天線的帶寬和波束傾斜角度。當(dāng)饋電位置下移至與貼片邊緣距離為5.3mm時(shí)，S11值下降16dB，右側(cè)截止頻率右移，帶寬變寬;當(dāng)a=7.3mm時(shí)，波束傾斜角度為6°，當(dāng)a增大或縮小時(shí)，波束的傾斜角度均變小。通過對饋電位置a不同尺寸的對比可知，隨著a的減小，天線阻抗匹配變好，帶寬增加，當(dāng)a=7.3mm時(shí)，波束的傾斜角度最大。因此，綜合考慮天線的帶寬及波束傾斜角度，取a=7.3mm。-

3天線仿真和測試結(jié)果

對模式1、模式2和模式5這3種固定狀態(tài)的天線原型進(jìn)行加工制作，天線模式2實(shí)物圖如圖9所示。

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及方向圖測試系統(tǒng)，對天線實(shí)物進(jìn)行測試，天線仿真和測試的S11曲線如圖10所示。由圖10可以看出，5種狀態(tài)同時(shí)覆蓋帶寬為2.40～2.43GHz，諧振頻率均為2.42GHz，測試所得到的3種狀態(tài)共同帶寬為2.43～2.45GHz，諧振頻率為2.44GHz，測試與仿真結(jié)果比較吻合。

天線在各狀態(tài)下的仿真方向圖如圖11所示，由圖11可以看出，天線波束可以在5種方向上進(jìn)行切換，模式1和模式3波束指向的重構(gòu)在±x方向?qū)崿F(xiàn)，模式2和模式4波束指向的重構(gòu)在±y方向?qū)崿F(xiàn)，4個(gè)狀態(tài)下，θ的傾斜角度均為5°;模式5的波束沿+z方向?qū)崿F(xiàn)，傾斜角度為0°。各狀態(tài)的3dB波瓣寬度為65°～68°，諧振頻率處的最大增益值在4.60～4.88dBi范圍內(nèi)。

天線模式1、模式2和模式5的測試方向圖如圖12所示。由圖12可以看出，模式1的主輻射方向?yàn)棣?-7°，φ=31°，3dB波束寬度為69°;模式2的主輻射方向?yàn)棣?-6°，φ=80°，3dB波束寬度為75°;模式5的主輻射方向?yàn)棣?0°，3dB波束寬度為69°，3種模式下的最大增益值均在3.1～3.9dBi范圍內(nèi)。仿真和測試得到的方向圖相比，主輻射方向略有偏移，但總體結(jié)果較為吻合。

4結(jié)束語

本文提出了一種方向圖可重構(gòu)的貼片天線，通過控制寄生貼片上開關(guān)的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，天線可以實(shí)現(xiàn)5種波束指向的重構(gòu)。給出了天線結(jié)構(gòu)及各參數(shù)，分析研究了各參數(shù)對天線特性的影響，并對3種狀態(tài)的天線原型進(jìn)行加工制作。仿真及測試結(jié)果表明，該天線可以在水平面內(nèi)切換92°，180°，267°，350°和+z方向這5種不同指向的波束;天線模式1、模式2和模式5的共同帶寬為2.43～2.45GHz，水平面上波束指向分別為31°和80°，垂直面上的傾斜角度為6°，測試結(jié)果驗(yàn)證了該天線波束指向的可重構(gòu)特性。與現(xiàn)有的方向圖可重構(gòu)天線相比，本文所提出的天線，擴(kuò)大了波束掃描范圍，波束在xoz面和yoz面內(nèi)均能進(jìn)行切換，且天線設(shè)計(jì)方法簡單、波束切換易于實(shí)現(xiàn)，制作成本低。該天線應(yīng)用于WLAN通信系統(tǒng)中，可以根據(jù)需求改變波束指向，從而提高通信效率，降低干擾。本文天線僅使用理想導(dǎo)體的通斷模擬開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)一步將使用pin二極管和直流偏置電路控制寄生貼片狀態(tài);天線帶寬較窄，無法完全覆蓋wifi2.4GHz頻段，今后研究中可考慮通過在激勵(lì)貼片中蝕刻槽縫以拓寬帶寬。

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DesignofaMicrostripPatchAntennawithReconfigurablePattern

LIUQianqian，CHENYali，ZONGWeihua，LIShandong

（TheCollegeSchoolofElectronicandInformation，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China）Abstract：

Inordertosolvetheproblemsoflowswitchingspeed，highcomplexityandlowcostexistinginmechanicalcontrolandelectricalcontrol，thispapermainlydesignsapatternreconfigurablepatchantenna.Apatternreconfigurablepatchantennawithfivekindsofbeamdirectionsisproposed.Theantennaiscomposedofaradiationpatchandfourparasiticpatchesandfedbycoaxialline.Bycontrollingtheswitchesloadedontheground，eachparasiticpatchcanbeswitchedbetweendirectorandreflector，soastorealizethereconfigurationofthepattern.Atthesametime，simulationanalysisoftheantennaiscarriedoutbyusingAnsysHFSSsoftwareandthreekindsofantennaprototypewithfixedstatearefabricatedandmeasured.Thesimulatedresultsshowthatthebeamcanbeswitchedinfivedirectionsof92°，180°，267°，350°and+zdirection.Themeasuredresultsshowthatthecommonbandwidthofantennawithmodes1，2and5is2.43～2.45GHz.Thehorizontalbeamdirectionsare31°and80°，andtheinclinedangleofthebeamontheverticalplaneis5°.Thegainoftheantennainfivestatesis3.1～3.9dBi，andthewidthof3dBbeamwidthislessthan70°.Themeasuredresultsareingoodagreementwiththesimulatedresults，whichverifiesthepatternreconfigurablecharacteristicsoftheantenna.Theantennahassimplestructureandlowproductioncost，whichissuitableforWirelessLocalAreaNetwork（WLAN）systemandtheresearchhascertainapplicationvalue.

Keywords：reconfigurableantenna;microstrippatchantenna;pattern;beamadjustable

收稿日期：20211109;修回日期：20220112

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2020MF023）

作者簡介：劉倩倩（1996），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)。

通信作者：宗衛(wèi)華（1975），女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)和電磁材料測量。Email：weihuazong@126.com