波束切換超材料激勵微帶天線

張利敏 李晗琳 曾幸

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714083

摘要：本研究提出的天線增益增強技術是利用MTM來實現的。設計了波束切換矩形微帶天線，采用雙寄生貼片，在其上面還有兩個PIN二極管。分別對采用和不采用MTM上層介質開關光束微帶天線進行了仿真。仿真有良好的效果，工作頻率（2.42.5GHz）范圍內有良好的阻抗匹配（|S11|<10dB）。在工作頻率范圍內，單向輻射模式下測得的平均增益是7dBi，對2.425GHzWLAN系統具有可操作性和能夠在XY平面的三個方向切換。

關鍵詞：增益提高；超材料；微帶；寄生貼片；PIN二極管

從無線通信的指數增長來看，智能手機和筆記本電腦都促成了這樣一種現象，即對數字無線通信等容量的需求。此外，當遭遇了障礙物之后會發生波反射和散射的時候，數字無線技術會遭受多徑衰落效應。使用智能天線，波束轉向天線或波束切換天線可以有效地被解決。

用于無線通信網絡的波束切換天線，可以旋轉的主光束超過360度左右的方位角，并具有寬的阻抗帶寬。盤天線通過使用四引腳二極管的通態和關斷狀態的方位角來控制主波束。PIN二極管采用短的輻射貼片到地平面以改變輻射模式。此外，這些組件可以用來控制天線的主光束，如晶體管，場效應晶體管（FET），和射頻微機電系統（RFMEMS）開關。本文研究的是波束切換天線中利用超常介質（MTM）的基板來提高增益。該天線是矩形微帶結構，包含微帶饋電線，兩個寄生貼片和兩個用于改變主波束方向PIN二極管。該天線能夠在WLAN系統中的2.42.5GHz頻率范圍內工作并有三種模式可以切換。

1 波束切換天線的結構

圖1是波束切換天線示意圖。最初，饋電微帶線是在一個厚度為3.2mm的FR4基板上中心頻率為2.45GHz的條件下進行仿真的。這個饋電線通過（1）來計算以特性阻抗為50Ω來匹配貼片天線和微帶線。這個饋電線位于矩形貼片的邊緣。這個矩形貼面的設計根據以主模方式傳輸的模型（TM010）正如（2）所示。

Zc=120πε0w0h+1.393+0.667ln（w0h+1.444），w0h>1（1）

w=12frμ0ε02εr+1（2）

εeff是相對介電常數，W0是微帶饋電線寬度，h是基板厚度，W是微帶貼片寬度。

這款天線，在輻射貼片的兩邊添加寄生貼片，在寄生貼片與接地平面之間采用PIN二極管。圖1（a）（b）展示了天線結構。當PIN二極管放置在兩個寄生貼片上的時候，調節寄生貼片和輻射貼片之間的距離能夠改變輻射模式。PIN二極管將輻射貼片與地平面連接起來，如圖1（c）。改變寄生貼片的尺寸，可以獲得合適的參數。寄生貼片和輻射貼片之間的距離可以減少相互耦合的影響。

仿真結果S11如圖2所示。可以看出S11在三種模式工作下有微小變化的，但不影響它覆蓋整個頻率范圍。

2 使用MTM來提高增益

為了提高增益，采用MTM作為覆板，放置在天線前端，距離為2mm。MTM排列成三層17×7的周期性結構。研究發現|S11|改變使得諧振頻率更高。增益隨著層數的增加而提高，但層數越大，波束寬度越窄。三層是相較于之前的天線結構更合適的層數。

[JZ]

[JZ]圖3 有三層MTM波束切換微帶的S11

研究帶有MTM的天線的工作模式，發現每種模式下S11和輻射方向圖都在范圍之內。圖3所示當PIN二極管工作在較高的諧振頻率下時每種模式下的S11都是變化的。

3 結論

本研究提出了波束切換天線，其中兩個PIN二極管被用來控制主波束的方向MTM側枝用來提高天線的增益。兩種波束切換天線都可以工作在2.42.5GHz的WLAN系統之下，在XY平面的三個方向0°，30°，330°都是可切換的。仿真驗證三層MTM應用作為覆板可以提高天線增益。