作者/ 徐超龍 鄧星成 西安電子科技大學(陜西 西安 710071)

摘要：本文介紹了一款新穎的PRA(Pattern Reconfigurable Antenna)。天線輻射單元主要由三部分組成：包括矩形驅動貼片，兩個對稱的開了CRS(Cross Ring Slot)的半圓形寄生單元以及地平面。兩組p-i-n二極管分別放置在十字形環縫隙上，通過這兩組p-i-n二極管電開關將它們連接起來，從而可以實現輻射方向圖可調。仿真結果表明，天線在4.29GHz~4.87GHz頻率范圍內S11<-10dB，阻抗帶寬大于500MHz，具備良好的寬帶特性。并且具有三種輻射方向圖，可以通過p-i-n二極管電開關靈活控制，實現方向圖可重構特性。

引言

　　進入21世紀以來，隨著現代科學技術的發展，無線通信系統對天線要求越來越高。近年來，天線設計朝著大容量、多功能、寬帶寬和小型化方向發展，其一為了滿足新時期實際應用需求，其二為了降低產品成本。由于通信系統實際尺寸越做越小，為了能夠實現大容量、多功能和寬帶寬功能，需要考慮減少系統中天線數量，但同時又要兼顧多個天線性能，因此需要考慮可重構天線^[1-2]。

　　可重構天線是一個天線或天線陣，通過在天線的適當位置加載一些開關或機械裝置，來達到動態改變天線諧振長度或物理結構等，從而使其具有多個天線所擁有的功能。可重構天線依據實現的功能不同可分為四類：頻率可重構、方向圖可重構、極化可重構和多種特性混合可重構。

　　本文首先介紹PRA(Pattern Reconfigurable Antenna)的應用背景及最近的一些研究成果，然后提出自己的設計思想，從而設計出具有新穎結構的PRA。在設計中，利用HFSS(High Frequency Structure Simulator)軟件對天線進行仿真，為了能夠實現所需功能，對天線結構尺寸進行了仿真優化比較，并對天線輻射方向圖有較大影響的參數進行了詳細分析，然后結合仿真結果進行分析總結。

1 方向圖可重構原理分析

　　方向圖可重構就是在保證極化方式和工作頻率幾乎不變的情況下，通過在天線結構的適當位置加載p-i-n二極管或微機電開關，來控制地平面或寄生單元電流分布，從而實現方向圖可重構。依據寄生原理，要實現方向圖可重構，就要改變寄生單元的電流分布。一般情況下，驅動單元與饋線直接相連，寄生單元的電流主要依靠驅動單元感應產生。

　　S. Zhang、G.H.Huff、J.Feng等人在文獻[3]中提出了一款線極化方向圖可重構寄生陣列天線。天線包括三個平行微帶線，并在其兩邊的寄生單元上分別對稱加載了兩個開關，為了實現方向圖可重構，需要控制兩寄生單元上電開關的開與關狀態。可以通過控制寄生單元上電開關的狀態，來實現輻射方向圖可重構。Jian Ren、Xi Yang、Jia yuan Yin等人在文獻[4]中提出了另一款新型結構PRA。天線由三部分組成：偶極子貼片、巴倫結構和一系列H型結構單元。H型結構單元均分等距放置在偶極子貼片的兩邊，兩邊分別用二極管相連接，通過切換p-i-n二極管的工作狀態，實現不同的輻射方向圖。W.S.Kang、J.A.Park和Y.J.Yoon在文獻[5]中提出了一款結構新穎的天線，該天線是單極子天線和具有反射功能對稱偶極子天線的混合體，通過切換開關，使所設計的天線在這兩類天線之間進行切換來實現波束形狀發生改變。當所有開關都斷開時，天線為單極子天線，此時輻射方向圖是全向的;當所有開關都導通時，天線為具有反射功能的偶極子天線。

2 PRA設計

　　為了增加天線阻抗帶寬，采用平面多模諧振技術，在矩形驅動貼片的兩非輻射邊對稱加載兩個相同的半圓形寄生單元，在半圓形寄生單元上開兩個對稱的十字形環縫隙CRS(Cross Ring Slot )，依據八木-宇田天線原理，分別在CRS每組縫隙的四個方向加載開關，通過控制這兩組開關工作狀態來實現輻射方向圖重構。

　　1. PRA結構

　　本章所提出的PRA結構建模如圖1所示。

　　從圖1中可以看出，輻射貼片由矩形驅動貼片、兩個半圓形寄生單元(分別開有CRS)兩部分組成。矩形驅動貼片和兩半圓形寄生單元放置在Teflon介質板上，其介質板的介電常數為3.6，損耗角正切為0.005，介質板的厚度為2mm，驅動貼片的尺寸為L×W，為了能夠增加諧振點，兩半圓形(半徑為R2)寄生單元分別等距D1放置在驅動貼片非輻射兩邊。為了能夠加載開關，在兩個寄生單元上對稱開兩個相同的CRS，其縫隙寬度為SL_W，CRS四個方向尺寸一致。并在每組縫隙的四個方向上分別加載1個p-i-n二極管，二極管模型如圖1中環縫隙中的小方塊所示。p-i-n二極管型號為BAR64-02V，通過直流偏置網絡控制二極管在開與關兩種狀態下切換，根據p-i-n二極管的datasheet，在這兩種狀態(導通與截止)下，其等效電路模型如圖2所示。

　　2. PRA分析

　　當二極管截止時，可以看作是一個3kΩ電阻與0.17pF的小電容的并聯;當二極管導通時，可以看作是一個阻值很小的電阻，其值為2.1Ω。當兩組二極管的工作狀態不同時，地輻射貼片平面顯得不對稱，從而使得天線結構不對稱。因此，天線輻射方向圖會發生改變，這里(圖1(a))我們把+X方向的二極管導通，-X方向的二極管截止為狀態A;把-X方向的二極管導通，+X方向的二極管截止為狀態B;當兩邊的二極管都處于導通時為狀態C。

　　中間矩形驅動貼片的長L主要由天線基本諧振頻率確定，并依據以下公式可以求得：

　(1)

　　這里c表示光的速度，表示介質的有效介電常數。為使天線具有寬帶特性，我們引入了平面耦合諧振技術，在驅動貼片的兩非輻射邊增加了兩個相同的寄生單元，為了使天線結構顯得緊湊，兩寄生單元的形狀為半圓形。在仿真優化時，我們通過調節兩半圓形半徑R2和與驅動貼片的距離D1使耦合諧振模式的諧振頻率鄰近基本諧振頻率，從而展寬天線的阻抗帶寬。為了能夠實現方向圖重構，我們通過外置電路控制CRS上的二極管。當二極管導通時，CRS被導通，寄生單元平面相當于未開縫;當二極管截止時，CRS改變了寄生單元表面的電流分布，使得寄生單元的電長度縮短，根據八木-宇田天線工作原理，該寄生單元相對驅動貼片變成引向器。天線采用同軸饋電且使用HFSS軟件對天線進行建模并仿真優化，優化后天線結構各尺寸參數值如表1所示。

3 天線仿真結果與分析

　　1. 三種狀態下天線反射系數

　　在這三種狀態(A、B、C)下，天線的反射系數如圖3所示。

　　從圖3中可以看出，在這三種狀態下，天線具有很寬的阻抗帶寬，其阻抗帶寬(S11<-10dB)為500MHz以上。這是由于引入了平面耦合諧振技術，在天線的阻抗帶寬內出現了多諧振零點。當二極管處于A和B兩種工作狀態時，天線反射系數曲線非常相似，天線阻抗帶寬(S11<-10dB)約為4.23GHz~4.87GHz;當二極管處于C工作狀態時，天線阻抗帶寬(S11<-10dB)為4.29GHz~4.90GHz，相比A和B兩種工作狀態，諧振頻率上升了，這可能由于地平面上兩組二極管導通，使得半圓形寄生單元上電流路徑變短，因為提高了天線的諧振頻率。因此，本文設計的PRA在4.29GHz~4.87GHz范圍內S11<-10dB，阻抗帶寬大于500MHz。

　　2. 三種狀態下天線輻射方向圖

　　通過外置直流偏置電路來控制地平面上兩組二極管的工作狀態，天線具有三類輻射方向圖：偏+X方向輻射、朝+Z軸向輻射和偏-X方向輻射。在4.6GHz工作頻率下，其三種狀態下的輻射方向圖如圖4所示。

　　當兩組二極管處于A狀態時，此時天線右邊的CRS相當于一個引向器，而左邊CRS被導通(不工作)，根據八木-宇田天線工作原理，天線輻射方向偏-X方向(圖4(a));同理當兩組二極管處于B狀態時，天線輻射方向偏+X(圖4(b));當兩組二極管處于C狀態時，天線輻射方向朝上(圖4(c))。A和B兩種狀態下的交叉極化不是很好，這可能是兩組二極管處于A和B兩種狀態下，導致輻射貼片平面結構不對稱引起的。當兩組二極管處于C狀態時，天線交叉極化很好，這可能跟天線結構對稱有關。當兩組二極管處于A狀態時，天線最大增益為5.7dBi以上;當兩組二極管處于B狀態時，天線最大增益為5.6dBi以上;當兩組二極管處于C狀態時，天線最大增益為6.4dBi以上。與A和B兩種狀態相比，天線處于C狀態時具有最大的輻射增益，這是因為在C狀態下，兩組二極管的工作狀態保持一致，使得天線結構保持對稱，且后瓣輻射很小。而在A和B狀態下，由于兩組二極管的工作狀態不同，導致天線結構不對稱，且有一定的能量朝后輻射，這樣天線最大輻射增益將減少。

4 總結

　　本文PRA設計中，天線具有很好的寬頻帶特性，即帶寬相對諧振頻率在10%以上。為了能夠激勵基模附近的模式，設計中引入了平面耦合技術，即在矩形驅動貼片的兩非輻射邊上對稱加載兩個相同的半圓，并在兩半圓上開了兩個相同的CRS，通過調節兩寄生單元和驅動貼片的距離，以及兩寄生單元的半徑，從而實現天線的寬帶性能。然后在寄生單元上開CRS，用二極管等開關連接起來，通過切換開關狀態來實現方向圖可重構。根據八木-宇田天線原理，通過控制這些二極管的工作狀態，可以使CRS導通和截止，從而使引向器的位置可調，實現輻射方向圖重構。天線結構新穎且具有很好的輻射特性。在三類輻射方向圖重構的情況下，仿真得到的天線帶寬在500MHz以上，是一種具有寬帶特性的PRA。

參考文獻:

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本文來源于《電子產品世界》2017年第1期第48頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。