具有頻移特性的方向圖可重構的天線設計與實現

汪圣杰，顧涓涓，胡國華

(合肥學院電子信息與電氣工程系，安徽合肥 230601)

具有頻移特性的方向圖可重構的天線設計與實現

汪圣杰，顧涓涓，胡國華

(合肥學院電子信息與電氣工程系，安徽合肥 230601)

在通信系統快速發展的今天，系統中需要的天線數量也在大幅增加。為了提高通信質量、降低成本、減輕重量以及實現良好的電磁兼容特性，可重構天線的概念應運而生，并在天線研究領域受到了廣泛關注。通常情況下，方向圖可重構天線的設計方法是依賴相控陣天線原理實現的，但是制作的天線體積較大而且結構復雜。本文提出一種結構新穎的方向圖可重構天線，該天線能夠工作在WLAN頻段，仿真結果表明該天線在工作頻段內具有良好的回波損耗特性以及較高的增益，能夠滿足通信系統的應用需求，且具有結構簡單、重量輕、剖面低、易于制作的優點。

回波損耗；增益；方向圖可重構天線；WLAN

隨著信息技術的發展，以無線傳輸方式傳遞信息的現代移動通信、衛星通信、各種軍/民用雷達和飛行器等，在國民經濟及國防領域中的地位變得越來越重要。作為無線通信系統的重要組成部分，天線起著輻射和接收電磁波實現能量轉換的作用[1-2]。因此，無線通信系統的性能與天線的工作特性緊密相關，這使得天線技術的發展成為無線信息技術領域的重要研究內容。

在科技快速發展的今天，為了滿足用戶對通信網絡帶寬及傳輸速率日益增長的需求，可重構天線已成為天線領域的研究熱點。可重構天線在無線通信系統中能夠根據實際應用的需求來改變其特性參數，不需人工干預且能夠方便控制。可重構天線在通信系統中能夠增加帶寬、提高系統容量、實現軟件無線電，這給無線電技術的發展帶來了深遠的影響。

1 天線的結構設計

本文中的天線使用FR4板材制作，通過優化設計最終得到圖1所示的天線總體結構，天線的背面如圖1(b)所示，天線的背面為天線的地，該地由圓形金屬外加互相間隔120°金屬矩形地構成。其中金屬矩形具有頻移特性，具有移動中心頻點特性，通過這種技術拓展天線帶寬[3-4]。天線的正面如圖1(a)所示，天線的正面有6個天線振子，這6個天線振子組成3組，每組之間間隔120°并通過阻抗間變結構匯集到天線的饋電點。但是3組天線振子沒有直接與饋電點相連，而是通過PIN二極管控制與饋電的相連，如此通過控制PIN二極管能夠有效控制與饋電相連的振子，從而達到對天線輻射方向圖的控制。阻抗漸變結構是設計的關鍵[5]，它極大影響天線的匹配即回波損耗特性。表1給出了天線通過HFSSver13.0仿真優化得到的最終的參數優化值。

2 天線性能及分析

圖2給出了該天線在PIN開關分別打開時天線的S11，回波損耗曲線分為3組，PIN1和PIN2開關對應的S11曲線為一組，PIN3和PIN4開關對應的S11曲線為一組，而PIN5和PIN6開關對應的曲線為一組。為了更清晰地闡述該天線的頻移作用，圖3單獨給出了PIN1開關和PIN2開關所對應的S11曲線。天線的回波損耗曲線在不同開關下具有頻移作用，這種作用使得天線的諧振頻率曲線呈W型，有效地增加了天線的帶寬。該天線在5.06～5.37GHz頻段內達到了良好的匹配，滿足無線通信系統的需求。

(a)天線的正面結構圖 (b)天線的背面結構圖圖1 天線的總體結構圖

結構參數值(mm)結構參數值(mm)R11．7R28H1．6L15L21．5L49L51．2L61．5L70．9L81．8W14．5W21W35．35W43．2W511．6W61．5W70．9

圖2 不同PIN開關下天線的回波損耗圖

圖3 PIN1和PIN2開關的天線回波損耗圖

圖4 不同PIN開關下天線的輻射方向圖

圖4顯示了天線在不同PIN開關下天線的輻射方向圖，研究表明不同開關下天線的主輻射方向圖的方向不同，具有6個主輻射方向，每個主輻射方向大致間距60°，且各自的波束寬度也為60°。該結果表面光，通過控制PIN開關的通斷能夠有效達到控制天線主輻射方向，從而實現方向圖可重構的功能。

從圖4中可以看出，不同開關下天線的輻射方向圖不同，PIN1開關下的主輻射方向在Phi=0°，Theta=100°，最大增益為3.85dB，且從方向圖中可以看出波束寬度為60°；PIN2開關下的主輻射方向在Phi=180°，Theta=100°，最大增益為3.4dB，波束寬度為60°。其它開關下天線的輻射方向分析與此類似，由此實現了天線方向圖可重構的目的。

由于天線的阻抗漸變機構極大影響天線的匹配，因此本文對阻抗匹配參數W6進行了研究，對W6參數進行參數化分析，設起始值為0.5mm，設終值為2.5mm，步長為0.5mm。圖5給出了參數掃描下的天線的回波損耗圖，可以看出阻抗匹配參數極大地影響了天線的回波損耗曲線，最終選取回波損耗最佳曲線所對應的參數值，即W6=1.5mm。圖6為根據仿真優化的結構制作出的天線實物圖。

圖5 PIN1開關下參數掃描W6的天線回波損耗圖

圖6 天線實物圖

3 結語

本文針對一款具有頻移特性的方向圖可重構的天線進行了設計并實現。研究結果表明，控制開關的通斷，使天線具有在目標頻段內頻移的特性，有效地提升了天線的帶寬，同時可以作為低剖面微帶天線拓展帶寬的一種方法。天線在不同開關下輻射方線圖不同，能夠實現6個主輻射方向的掃描，主輻射方向互相間距60°,且天線在每個主輻射方向具有較高的增益，最大增益接近4dB。

[1]郭輝萍,劉學觀.電磁場與電磁波[M].西安:西安電子科技大學出版社,2010:26-31.

[2]鐘順時.天線理論與技術[M].北京:電子工業出版社,2011.

[3]Girish Kumar,K.P.Ray.Broadband microstrip antennas[M].Boston:Artech House,Inc.,2003:8-21.

[4]H.W.Kwa,X.M.Qing,Z.N.Chen.Broadband single-fed single-patch circularly polarized antenna for UHF RFID applications[C].Proc.In IEEE Antennas and Propagation Society Int.Symp.2008:1-4.

[5]David M.Pozar.微波工程[M].3版.張肇儀,等,譯.北京:電子工業出版社,2015.

Design and Implementation of Pattern Reconfigurable Antenna With Frequency Shift Characteristic

WANG Sheng-jie，GU Juan-juan，HU Guo-hua

(School of Electronic Information and Engineering,Hefei University,Hefei Anhui 230601, China)

With the rapid development of integrated communication system, more and more antenna is needed in the communication system. In order to improve the quality of communication, reducing costs and weight and achieving good EMC characteristics, the concept of reconfigurable antenna come into existence and has drawn great attention in the field of antenna design. Traditional reconfigurable antenna design is based on the principle of phased array antenna principle, however the antenna size maybe large and the structure maybe complex. In this paper a noval pattern reconfigurable antenna is presented. This antenna can be utilized in WLAN frequency band with good return loss feature and reasonable high gain. It meets the application demand of communication system with the advantage of simple structure, low weight and profile, and is easy to integrat in communication system.

return loss；gain；Pattern-reconfigurable Antenna；WLAN

2017-02-27

合肥學院2016年自然科學科研發展基金項目“電磁能量收集技術研究以及關鍵組成部件的研究設計”(0395841698)；安徽省高等學校省級質量工程項目“通信工程開放實訓(實驗)中心”(2015sxzx018)；安徽省高等學校省級質量工程項目“環境智能控制創客實驗室”(2015ckjh062)；安徽省高等學校省級質量工程項目“通信技術綜合實訓認證的教學改革與研究”(2016jyxm0884)；安徽省高校優秀中青年骨干人才國外訪學研修重點項目(gxfxZD2016222)；安徽省教育廳自然科學基金重點項目“肺部CT圖像興趣區域的實值離散Gabor變換壓縮算法研究”(KJ2015A164)。

汪圣杰(1989- )，男，助教，博士研究生，從事電磁場與微波技術、嵌入式研究。

TN011

A

2095-7602(2017)08-0017-05