一種平面印刷電控波束掃描天線陣

盧忠亮 楊雪霞 譚冠南

?

一種平面印刷電控波束掃描天線陣

盧忠亮 楊雪霞*譚冠南

(上海大學通信與信息工程學院 上海 200072)

平面天線；波束掃描；差分進化；優化算法；電控寄生陣列天線

1 引言

隨著移動通信的飛速發展，用戶數量和通信信息量劇增，信道間干擾和多徑衰落等問題對通信質量和系統容量都產生了極大的影響。電控寄生陣列(ESPAR)天線可以將天線方向圖主瓣指向有用信號方向而將零陷方向指向干擾，從而提高了系統容量，受到越來越多的關注[1,2]。ESPAR通常由一個有源天線和若干個加載了可變電抗的寄生天線構成，通過電抗加載來控制方向圖主瓣和零陷的指向。與傳統的相控陣天線相比，ESPAR只有一個射頻饋電端口，因而具有更簡單的結構和更低廉的成本。

ESPAR天線的優化設計包括結構尺寸的和電抗值兩個方面，兩者共同影響著天線的性能。由于電抗值與天線參數之間是非線性和多極值的關系，因而尋找最優電抗值是一個較為復雜的優化問題。綜合現有文獻中ESPAR天線的優化設計方法，一種是由進化算法結合全波仿真，如文獻[2]和文獻[5]，需要大量的反復調用電磁全波仿真，優化時間較長；另一種則借助陣列因子計算天線性能，避免了反復調用全波仿真，計算量小，如文獻[7-11]，這種方法假定不同陣元上的電流分布只是幅度和相位的差別，而不存在形狀的差別，但全波計算的結果表明主輻射單元和寄生單元的電流形狀并不一定相同[12]，因而此方法有一定程度的局限性。文獻[13]則利用等效網絡模型結合牛頓迭代的方法對可重構孔徑天線進行優化，可以通過較少的迭代次數在指定方向實現最大輻射或零輻射。

差分進化算法(Differential Evolution, DE)由Storn等人[14]于1995年提出，它模擬生物進化的隨機模型，通過反復迭代，使得那些適應環境的個體被保存下來。它具有較強的全局收斂能力和魯棒性，且不需要借助問題的特征信息，適于求解一些利用常規的數學規劃方法所無法求解的復雜環境中的優化問題。相對于大多數其它的進化算法，它更加簡捷且易于實現，同時，在各類實數參數的優化問題中，DE相對于其它的進化算法均體現出準確度高、收斂速度快和魯棒性強等特點，已成功用于解決非線性優化問題[15]。

本文利用等效網絡模型結合DE算法對所設計的平面ESPAR天線進行優化。首先利用電磁全波軟件設計天線的結構尺寸，并提取相關的結構參數。再將結構參數導入DE算法以搜尋電抗值，這樣優化過程中每一次目標函數的獲取不再需要全波計算，優化的效率大大增加，最后通過實驗驗證了該方法的有效性。

2 天線結構和波束掃描原理

2.1 天線結構

2.2 波束掃描原理

其中下標和分別代表饋電端口和加載端口。天線饋電端口反射系數11和遠區電場強度()均可用的子矩陣和表示。

圖2 天線陣的3端口網絡模型

其中1(),2()和3()代表3個端口各自饋電而其余端口接匹配負載時在方向上的遠區電場強度。是一個2維單位矩陣。在這些參數中，,1(),2()和3()由天線的結構和尺寸決定，而由加載的電抗決定，它們共同影響著天線的性能。

為便于進一步分析，將以式(4)中的矩陣求逆項利用Neumann級數展開：

表1天線結構參數

結構參數L0Lrd1d2 設計結果0.570.530.310.31

3 DE算法優化電抗值

優化算法的目標是天線的主輻射方向最接近給定的目標值，同時在工作頻點上的旁瓣電平和反射系數小于給定的目標值。因此目標函數設計為

4 仿真與測試結果

圖3是在5.8 GHz工作頻點上平面的仿真和實測增益方向圖，可以看到仿真與實測的結果一致性較好，天線的主輻射方向可以在平面內從-34°到+38°之間掃描。圖4給出了在狀態3的主極化和交叉極化仿真方向圖，可見交叉極化相對于主極化約低了30 dB。天線在各方向上反射系數的實測與仿真結果一致性較好，圖5給出了狀態1下的反射系數實測與仿真結果。圖6是5種典型狀態下實測的反射系數隨頻率變化的曲線。可以看到反射系數小于-10 dB的公共頻率范圍在5.63 ~5.96 GHz之間，帶寬為330 MHz。實測結果表明，天線體現了較好的波束掃描性能。

5 結束語

本文設計了一種新穎的平面印刷ESPAR陣列天線，利用DE算法結合全波仿真軟件和等效網絡模型，對天線結構和所需加載的電抗值進行了設計和優化。仿真與實測結果具有較好的一致性。測試結果表明，在工作頻點上，天線主波束方向可以在平面內-34°~38°之間掃描，不同狀態下天線增益在3.6~4.9 dBi之間變化。不同狀態下反射系數小于-10 dB的公共帶寬為330 MHz。天線具有良好的波束掃描性能，設計和優化方法準確高效。

表2 5種典型狀態下天線加載的電抗值和性能參數

圖3 5種典型狀態下xoy平面的增益方向圖

圖4 狀態3主極化和交叉極化仿真方向圖

圖5 狀態1仿真與實測反射系數

圖6 5種狀態下天線的實測反射系數

[1] Sun C, Hirata A, Ohira T,.. Fast beamforming of electronically steerable parasitic array radiator antennas: theory and experiment[J]., 2008, 56(7): 1819-1832.

[2] Lu Jun-wei, Ireland D, and Schlub R. Dielectric embedded ESPAR (DE-ESPAR) antenna array for wireless communications[J]., 2005, 53(8): 2437-2443.

[3] Arceo D and Balanis C A. Design methodology for a reactively loaded Yagi–Uda antenna[J]., 2012, 11: 795-798.

[4] Liu Hai-tao, Gao S, and Loh Tian-hong. Small director array for low-profile smart antennas achieving higher gain[J].,2013, 61(1): 162-168.

[5] Chen Y and Wang C F. Synthesis of reactively controlled antenna arrays using characteristic modes and DE algorithm[J]., 2012, 11: 385-388.

[6] Liu Hai tao, Gao S, and Loh Tian-hong. Electrically small and low cost smart antenna for wireless communication[J]., 2012, 60(3): 1540-1549.

[7] Mitilineos S A, Mougiakos K S, and Thomopoulos S C A. Design and optimization of ESPAR antennas via impedance measurements and a genetic algorithm[J]., 2009, 51(2): 118-123.

[8] Chen W H and Feng Z H. Planar reconfigurable pattern antenna by reactive-load switch[J]., 2005, 47(5): 506-507.

[9] Petit L, Dussopt L, and Laheurte J M. MEMS-switched parasitic-antenna array for radiation pattern diversity[J]., 2006, 54(9): 2624-2631.

[10] Islam M R and Ali M. Elevation plane beam scanning of a novel parasitic array radiator antenna for 1900 MHz mobile handheld terminals[J]., 2010, 58(10): 3344-3352.

[11] Luther J J, Ebadi S, and Gong Xun. A microstrip patch electronically steerable parasitic array radiator (ESPAR) antenna with reactance-tuned coupling and maintained resonance[J]., 2012, 60(4): 1803-1813.

[12] Iigusa K and Ohira T. A simple and accurate mathematical model of electronically steerable parasitic array radiator antennas[C]. Proceedings of the 1st IEEE Consumer Communications and Networking Conference,Las Vegas,2004: 312-315.

[13] Rehmans S and Wallace J W. Optimization of parasitic reconfigurable aperture antennas with a hybrid direct-Newton approach[C]. 2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), Spokane, 2011: 984-987.

[14] Storn R and Price K V. Differential evolution: a simple and efficient heuristic for global optimization over continuous spaces[J]., 1997, 11(4): 341-359.

[15] Das S and Suganthan P N. Differential evolution: a survey of the-state-of-the-art[J]., 2011, 15(1): 4-31.

盧忠亮： 男，1982年生，博士生，研究方向為可重構天線設計、智能天線.

楊雪霞： 女，1969年生，教授，博士生導師，主要研究方向為微帶天線、計算電磁學、微波輸能.

譚冠南： 男，1988年生，博士生，研究方向為微波輸能、可重構天線設計.

A Planar Electronically Controlled Antenna Array with Beam Steering

Lu Zhong-liang Yang Xue-xia Tan Guan-nan

(,,200072,)

A novel planar beam steering parasitic array of planar printed dipoles is proposed, which can be used in the mobile terminals to improve communication quality and system capacity. The main beam can be controlled by the reactive loads on the parasitic elements. The antenna prototype is designed using the software based on the full wave analysis andthe loaded reactance valuesare optimized by the Differential Evolutionary(DE) algorithm.The measured results show that the main beam can be steered from -34°~38° in theplane. At every main radiation direction, the gain at the center frequency is from 3.6~4.9 dBi and the bandwidth of the reflection coefficient less than -10 dB is 330 MHz, which is from 5.63~5.96 GHz. The proposed antenna has good beam steering performance and the optimum design method is accurate and efficient.

Planar Antenna; Beam steering; Differential Evolution (DE); Optimization algorithm; Electronically SteerableParasitic Array Radiator antenna (ESPAR)

TN821+.8

A

1009-5896(2014)06-1515-05

10.3724/SP.J.1146.2013.01214

楊雪霞 xxyang@staff.shu.edu.cn

2013-08-09收到，2013-11-27改回

國家自然科學基金(61271062)和上海市特種光纖與光接入網省部共建重點實驗室項目(08DZ2231100)資助課題