汪圣杰，顧涓涓，胡國(guó)華

(合肥學(xué)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(gòu)的天線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪圣杰，顧涓涓，胡國(guó)華

(合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系，安徽合肥 230601)

在通信系統(tǒng)快速發(fā)展的今天，系統(tǒng)中需要的天線數(shù)量也在大幅增加。為了提高通信質(zhì)量、降低成本、減輕重量以及實(shí)現(xiàn)良好的電磁兼容特性，可重構(gòu)天線的概念應(yīng)運(yùn)而生，并在天線研究領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。通常情況下，方向圖可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)方法是依賴(lài)相控陣天線原理實(shí)現(xiàn)的，但是制作的天線體積較大而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文提出一種結(jié)構(gòu)新穎的方向圖可重構(gòu)天線，該天線能夠工作在WLAN頻段，仿真結(jié)果表明該天線在工作頻段內(nèi)具有良好的回波損耗特性以及較高的增益，能夠滿(mǎn)足通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、剖面低、易于制作的優(yōu)點(diǎn)。

回波損耗；增益；方向圖可重構(gòu)天線；WLAN

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以無(wú)線傳輸方式傳遞信息的現(xiàn)代移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、各種軍/民用雷達(dá)和飛行器等，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防領(lǐng)域中的地位變得越來(lái)越重要。作為無(wú)線通信系統(tǒng)的重要組成部分，天線起著輻射和接收電磁波實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的作用[1-2]。因此，無(wú)線通信系統(tǒng)的性能與天線的工作特性緊密相關(guān)，這使得天線技術(shù)的發(fā)展成為無(wú)線信息技術(shù)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。

在科技快速發(fā)展的今天，為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬及傳輸速率日益增長(zhǎng)的需求，可重構(gòu)天線已成為天線領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?？芍貥?gòu)天線在無(wú)線通信系統(tǒng)中能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求來(lái)改變其特性參數(shù)，不需人工干預(yù)且能夠方便控制?？芍貥?gòu)天線在通信系統(tǒng)中能夠增加帶寬、提高系統(tǒng)容量、實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電，這給無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。

1 天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中的天線使用FR4板材制作，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)最終得到圖1所示的天線總體結(jié)構(gòu)，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(gòu)成。其中金屬矩形具有頻移特性，具有移動(dòng)中心頻點(diǎn)特性，通過(guò)這種技術(shù)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(gè)天線振子，這6個(gè)天線振子組成3組，每組之間間隔120°并通過(guò)阻抗間變結(jié)構(gòu)匯集到天線的饋電點(diǎn)。但是3組天線振子沒(méi)有直接與饋電點(diǎn)相連，而是通過(guò)PIN二極管控制與饋電的相連，如此通過(guò)控制PIN二極管能夠有效控制與饋電相連的振子，從而達(dá)到對(duì)天線輻射方向圖的控制。阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)的關(guān)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(guò)HFSSver13.0仿真優(yōu)化得到的最終的參數(shù)優(yōu)化值。

2 天線性能及分析

圖2給出了該天線在PIN開(kāi)關(guān)分別打開(kāi)時(shí)天線的S11，回波損耗曲線分為3組，PIN1和PIN2開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的S11曲線為一組，PIN3和PIN4開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的S11曲線為一組，而PIN5和PIN6開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)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(dú)給出了PIN1開(kāi)關(guān)和PIN2開(kāi)關(guān)所對(duì)應(yīng)的S11曲線。天線的回波損耗曲線在不同開(kāi)關(guān)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(nèi)達(dá)到了良好的匹配，滿(mǎn)足無(wú)線通信系統(tǒng)的需求。

(a)天線的正面結(jié)構(gòu)圖 (b)天線的背面結(jié)構(gòu)圖圖1 天線的總體結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)參數(shù)值(mm)結(jié)構(gòu)參數(shù)值(mm)R11．7R28H1．6L15L21．5L49L51．2L61．5L70．9L81．8W14．5W21W35．35W43．2W511．6W61．5W70．9

圖2 不同PIN開(kāi)關(guān)下天線的回波損耗圖

圖3 PIN1和PIN2開(kāi)關(guān)的天線回波損耗圖

圖4 不同PIN開(kāi)關(guān)下天線的輻射方向圖

圖4顯示了天線在不同PIN開(kāi)關(guān)下天線的輻射方向圖，研究表明不同開(kāi)關(guān)下天線的主輻射方向圖的方向不同，具有6個(gè)主輻射方向，每個(gè)主輻射方向大致間距60°，且各自的波束寬度也為60°。該結(jié)果表面光，通過(guò)控制PIN開(kāi)關(guān)的通斷能夠有效達(dá)到控制天線主輻射方向，從而實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)的功能。

從圖4中可以看出，不同開(kāi)關(guān)下天線的輻射方向圖不同，PIN1開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)下天線的輻射方向分析與此類(lèi)似，由此實(shí)現(xiàn)了天線方向圖可重構(gòu)的目的。

由于天線的阻抗?jié)u變機(jī)構(gòu)極大影響天線的匹配，因此本文對(duì)阻抗匹配參數(shù)W6進(jìn)行了研究，對(duì)W6參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化分析，設(shè)起始值為0.5mm，設(shè)終值為2.5mm，步長(zhǎng)為0.5mm。圖5給出了參數(shù)掃描下的天線的回波損耗圖，可以看出阻抗匹配參數(shù)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(duì)應(yīng)的參數(shù)值，即W6=1.5mm。圖6為根據(jù)仿真優(yōu)化的結(jié)構(gòu)制作出的天線實(shí)物圖。

圖5 PIN1開(kāi)關(guān)下參數(shù)掃描W6的天線回波損耗圖

圖6 天線實(shí)物圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一款具有頻移特性的方向圖可重構(gòu)的天線進(jìn)行了設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)。研究結(jié)果表明，控制開(kāi)關(guān)的通斷，使天線具有在目標(biāo)頻段內(nèi)頻移的特性，有效地提升了天線的帶寬，同時(shí)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(kāi)關(guān)下輻射方線圖不同，能夠?qū)崿F(xiàn)6個(gè)主輻射方向的掃描，主輻射方向互相間距60°,且天線在每個(gè)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(xué)觀.電磁場(chǎng)與電磁波[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2010:26-31.

[2]鐘順時(shí).天線理論與技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)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(yè)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(xué)院2016年自然科學(xué)科研發(fā)展基金項(xiàng)目“電磁能量收集技術(shù)研究以及關(guān)鍵組成部件的研究設(shè)計(jì)”(0395841698)；安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“通信工程開(kāi)放實(shí)訓(xùn)(實(shí)驗(yàn))中心”(2015sxzx018)；安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“環(huán)境智能控制創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室”(2015ckjh062)；安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“通信技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)認(rèn)證的教學(xué)改革與研究”(2016jyxm0884)；安徽省高校優(yōu)秀中青年骨干人才國(guó)外訪學(xué)研修重點(diǎn)項(xiàng)目(gxfxZD2016222)；安徽省教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“肺部CT圖像興趣區(qū)域的實(shí)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(chǎng)與微波技術(shù)、嵌入式研究。

TN011

A

2095-7602(2017)08-0017-05