曾 李,凃玲英,豐 勵,尹龍川,曲元君
(湖北工業(yè)大學 電氣與電子工程學院,湖北 武漢 430068)
為了應對各種無線傳播問題,例如陰影、多徑干擾[1]和能量浪費,通常在射頻前端布置智能天線或方向圖可重構天線。如果天線可以調整其方向圖,使其主波束始終指向移動接收機或發(fā)射機,而將其他波束抑制在不需要的方向上,則可以緩解這些傳播現(xiàn)象。相控陣天線[2]是最常見的方向圖可重構技術,具有多個輻射元件和完善的控制算法,但這樣的天線結構復雜、笨重并增加了系統(tǒng)成本和重量,因此,方向圖可重構天線具有重要的研究價值。文獻[3?4]提出一種基于有源頻率選擇表面(AFSS)的可重構天線,該天線是由蝶形頻率可重構饋源和圓柱形AFSS 構成,利用AFSS 對饋源天線激勵的電磁波進行空間調控,可實現(xiàn)兩個頻段的全向和定向波束的切換,但AFSS 結構復雜,加工困難且整體尺寸大,造價高。文獻[5]提出用二氧化釩(VO2)作為印刷開關來控制單極子天線的方向圖和頻率,但該開關的處理需要復雜的制造工藝,進而導致更高的成本。文獻[6?7]介紹了一種液態(tài)金屬天線,天線由微流體通道內的液態(tài)鎵銦合金(EGaIn)組成,通過通道的電壓控制,使EGaIn 表面上的氧化物電化學沉積(去除)來降低(增加)其界面張力,進而更改通道中EGaIn 的長度,相應的天線頻率、輻射方向圖也跟著改變,但控制金屬的流速需要較大的直流電流。文獻[8]提出一種光開關可重構天線,開關由高阻抗硅片構成,在波長為980 nm 的高功率激光照射下可以改變電導,從而改變天線的方向圖和頻率,但是開關的導通插入損耗較高且斷開隔離度較低。文獻[9]提出一種方向圖可重構天線,通過使用PIN 二極管重新配置放置在輻射偶極子周圍的寄生帶狀線來反射偶極子下的金屬片,可以將天線主波束切換到仰角平面上的5 個方向,但天線使用了20 個PIN 二極管,增加了成本,并且大量的偏置電路容易影響天線的輻射性能。
本文基于常見的八木天線原理[10],設計出一種光束切換可重構天線,天線工作在5.65~5.95 GHz 頻段,通過改變PIN 二極管的開關狀態(tài)能實現(xiàn)9 個不同位置的輻射光束,在所有模式下均能實現(xiàn)良好的增益,最小增益為7.12 dBi。天線由50 mm2介質基板、5 塊金屬貼片和4 個二極管組成,因此天線體積小、結構簡單,僅使用4 個PIN 二極管進行模式的切換,天線低造價、功耗低且操作簡單,可應用于藍牙、WiFi、WiMAX 等點對點的無線通信系統(tǒng)中。
天線的幾何結構如圖1 所示。圖1a)中:中間的貼片是輻射元件,輻射元件周圍4 個貼片作為寄生元件;d是底層矩形地面和介質基板的邊長;L,W是輻射元件的長度和寬度;L2,W2是左右2 個寄生元件的長度和寬度;L3,W3是上下2 個寄生元件的長度和寬度;a是SMA饋電點到輻射貼片底邊的距離;g是寄生貼片與輻射貼片的氣隙距離;D1~D4為開關,詳細的開關結構如圖1c)所示。
圖1 天線模型
微帶天線的背面通過50 Ω 的SMA 探頭饋電,饋電位置參數(shù)a經過優(yōu)化,可實現(xiàn)所需的輸入阻抗。每個寄生元件都有一個連接到天線背面接地平面的開關,該開關可以看作是短路引腳。開關位置距離寄生元件底部v的距離和距離寄生貼片外側u的距離相同,左右兩個寄生元件結構相同,上下兩個寄生元件結構相同。寄生元件在短路和開路狀態(tài)之間切換時,會導致寄生元件的電流密度發(fā)生變化,進而影響輻射元件的方向圖。因此,當開關激活導通,短路引腳對地短路時,感應電流會從寄生元件流向地面,使得寄生元件對輻射元件起反向器的作用;相反,當開關未激活斷開時,感應電流不再流向地面,寄生元件對輻射元件充當引向器的作用。
這種設計天線結構中有4 個開關,因此可以按照4 個開關順序組合[11]來表示不同的開關模式。例如:模式1000 表示D1處于導通狀態(tài),其他開關處于關閉狀態(tài);模式1100 表示D1和D2處于導通狀態(tài),其他開關處于關閉狀態(tài),依此類推。通過組合控制這些開關,可以得到9個定向光束方向圖。
采用高頻結構仿真軟件(HFSS)對天線建模仿真,設定天線的工作頻率f=5.85 GHz,介質基板采用泰康利Taconic TLY,其相對介電常數(shù)εr=2.2,厚度h=1.6 mm??紤]到PIN 二極管的尺寸,留下變量c作為二極管的空間大小,詳細設計參數(shù)見表1。
表1 天線的詳細參數(shù) mm
使用HFSS 軟件設計仿真時,為了獲得較為精確的結果,選用文獻[12]中BAR50?02V 型號的二極管參數(shù),PIN 二極管等效電路可以用HFSS 集總RLC 邊界條件建模,用Rf與Lp串聯(lián)模擬PIN 二極管的導通狀態(tài),用Rr和Cr的并聯(lián)再與Lp串聯(lián)模擬PIN 二極管的截止狀態(tài),等效電路如圖2 所示。參數(shù)具體值為:正向電阻Rf為3 Ω,反向并聯(lián)電阻Rr為5 kΩ,二極管電容Cr為0.15 pF,引線電感Lp為0.5 nH。
圖2 PIN 二極管的等效電路圖
從圖1 可以看出,天線的諧振頻率和初始輻射光束主要由中間的輻射元件尺寸和饋電位置決定,因此只需分析輻射元件尺寸對天線諧振頻率的影響,寄生元件尺寸對輻射光束的影響。設定工作頻率為5.85 GHz,借助HFSS 參數(shù)掃描功能,分析參數(shù)對天線性能的影響。
當開關模式為1111 時,保持天線其他結構參數(shù)不變,設置參數(shù)W取值范圍為16~17 mm,反射系數(shù)如圖3所示,可知隨著W值增大,S參數(shù)值越小。
圖3 輻射元件W 與S11 的關系
當開關模式為1111 時,保持天線其他結構參數(shù)不變,設置參數(shù)L取值范圍為15.5~16.5 mm,反射系數(shù)如圖4 所示,可知隨著L值增大,諧振頻率由高頻向低頻移動。
圖4 輻射元件L 與S11 的關系
當開關模式為0111,φ=270°時,保持天線其他結構參數(shù)不變,設置參數(shù)W2取值范圍為12~16 mm,方向圖如圖5a)所示,可知隨著W2值的增大,方向圖主瓣增益減小,旁瓣增益和寬度增加;設置參數(shù)L2的取值范圍為14~16 mm,方向圖如圖5b)所示,可知隨著L2值的增大,最大增益方向先右偏再轉向左偏,L2影響著天線輻射光束的方向性。
圖5 寄生元件尺寸對方向圖的影響
當開關模式為0111,φ=270°時,保持天線其他結構參數(shù)不變,設置參數(shù)u取值范圍為2~6 mm,方向圖如圖6a)所示,可知隨著u值的增大,方向圖主瓣增益增大,旁瓣增益和寬度減??;設置參數(shù)v取值范圍為2.5~6.5 mm,方向圖如圖6b)所示,可知隨著v值的增大,最大增益方向左偏,降低了寄生元件對輻射光束的作用。
圖6 開關短路結構位置對方向圖的影響
圖7 顯示在9 種開關模式下的回波損耗。可以預測,寄生元件的電流變化只影響輻射元件的輻射方向圖,不影響輻射元件的諧振頻率,因此天線所有模式的諧振頻率基本穩(wěn)定在5.85 GHz,不受開關變化的影響,但左右寄生元件與上下寄生元件的尺寸不同,導致了一些開關模式的S參數(shù)值并不相同。從圖中可以看到天線工作在5.65~5.95 GHz 頻段,不同開關模式下的反射系數(shù)均保持小于-10 dB,這證明該天線具有良好的阻抗匹配性能。
圖7 天線在不同模式下的回波損耗仿真值
在圖8 中可以看到不同開關模式下天線的表面電流分布,黑色箭頭表示不同開關模式下所形成的輻射光束方向。該天線的輻射光束能轉動9 個φ角,當開關D1~D4都處于ON 狀態(tài)時,寄生元件互相平衡,光束沿z軸定向輻射;當開關D1處于OFF 狀態(tài),D2~D4處于ON 狀態(tài)時,輻射方向圖在3 個反向器和1 個引向器的作用下,光束轉向φ=270°;當開關D1、D4處于OFF 狀態(tài),D2、D3處于ON 狀態(tài)時,輻射方向圖在2 個反向器和2 個引向器相互作用下,光束轉向φ=225°。類似地,可以將光束轉向至其他角度。
圖8 天線在不同模式下的電流分布及輻射光束方向
圖9 展示了天線在5.85 GHz 時不同開關模式下的輻射光束三維仿真。當φ值取最大輻射方向,輻射光束對應的方向圖如圖10 所示,特性總結見表2。第一列是開關模式,數(shù)字1 代表開關導通,數(shù)字0 代表開關斷開。最大增益方向在第二列中,表明增益方向有規(guī)律地變化。φ值確定之后,天線的輻射方向角θ主要由寄生元件的尺寸、寄生元件與輻射元件的氣隙距離和開關短路結構位置決定,優(yōu)化這些參數(shù)可以獲得較為理想的傾斜角。第三列是半功率波束寬度(HPBW),其中開關模式1111 的波束寬度為97°,與其他開關模式相差較大,這是因為左右2 個寄生元件當作反向器時作用力大于上下2 個寄生元件的作用力,從天線頂端看輻射光束形成左右短上下長的十字形,因此當φ=0°時方向圖的波束寬度較大。天線開關其他模式的波束寬度較為穩(wěn)定,平均值為57.38°。最后一列顯示了天線不同開關模式的最大增益值,可以看出天線有很高的增益,且不同模式下的增益值相差很小。
圖9 天線在不同模式下的輻射光束三維仿真
圖10 天線在不同模式下的方向圖仿真
表2 天線的方向圖特性
本文提出了一種小型緊湊,多方向性方向圖可重構的天線。天線設計基于常見的八木天線原理,主輻射元件被4 個寄生元件包圍,并且使用4 個PIN 二極管開關將寄生元件對地短路或開路,寄生元件短路時作為反向器,開路時作為引向器。仿真結果表明,天線工作帶寬范圍為5.65~5.95 GHz,可以在9 個不同的方向角度上提供波束控制,(φ,θ)=(0°,0°),(270°,22°),(225°,19°),(180°,19°),(135°,21°),(90°,24°),(45°,19°),(0°,19°)和(315°,19°),所有模式實現(xiàn)的增益水平大于7.0 dBi。該天線體積小、制造成本低,簡單的平面結構易于組裝,可作為WiMAX、WiFi 和Bluetooth 等應用的潛在方案選擇,應用在點對點的無線通信系統(tǒng)中。