一種方向圖可重構微帶貼片天線的設計

劉倩倩　陳婭莉　宗衛(wèi)華　李山東

文章編號：10069798（2022）02002007;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.004

摘要：針對機械控制和電控制存在的天線切換速度慢、復雜度高和成本低等問題，本文主要對一種方向圖可重構微帶貼片天線進行設計。提出一種具有5種波束指向的方向圖可重構貼片天線，該天線由輻射貼片和4個寄生貼片組成，采用同軸線饋電，通過控制地面加載開關，寄生貼片可以在指向器和反射器之間進行切換，從而實現(xiàn)方向圖的重構，同時對3種固定狀態(tài)的天線原型進行加工測試，并采用AnsysHFSS軟件，對天線進行仿真分析。仿真結果表明，該天線波束可以在92°，180°，267°和350°以及+z方向這5種指向中進行切換，實測天線模式1、模式2和模式5的共同帶寬為2.43～2.45GHz，水平面上波束指向分別為31°和80°，垂直面上的傾斜角度為6°，3種狀態(tài)下的天線增益為3.1～3.9dBi，3dB波瓣寬度均小于70°，測試結果和仿真結果較為吻合，驗證了該天線方向圖可重構的特性。該天線結構簡單，制作成本低，適用于無線局域網(wǎng)（wirelesslocalareanetwork，WLAN）系統(tǒng)中，該研究具有一定的應用價值。關鍵詞：可重構天線;微帶貼片天線;方向圖;波束可調

中圖分類號：TN828文獻標識碼：A

方向圖可重構天線可以通過機械控制和電子開關等方式改變天線的輻射方向，實現(xiàn)波束掃描。同時，工作頻率等其他性能保持不變，在一個天線上完成多個天線的功能，從而擴大天線的波束覆蓋范圍，降低噪聲干擾，提高無線通信系統(tǒng)的靈活性，適應更加復雜多變的環(huán)境。近年來，方向圖可重構天線被廣泛應用于小基站以及射頻識別（radiofrequencyidentification，RFID）等需要實時改變輻射方向的領域中。方向圖的重構，是通過改變天線的電流分布來實現(xiàn)，通過重構天線結構，可以激發(fā)不同的輻射模式，如改變輻射貼片結構[14]、寄生貼片結構[58]以及接地面結構[910]，這種實現(xiàn)方法可對天線進行簡單地控制，但電子開關的加載對天線影響較大，需要額外設計偏置網(wǎng)絡。另外，將移相器和功分器進行結合，通過改變饋入相位也可實現(xiàn)方向圖的重構[1112]，但移相器和功分器增加了天線的尺寸和制作成本。使用波束成形網(wǎng)絡，并選擇不同的饋電口饋電[1314]，此種實現(xiàn)方法無需為天線加載電子開關，但會增加天線饋電端口數(shù)量和天線結構的復雜度。通過在貼片天線上方加載可重構的超表面，可以實現(xiàn)天線輻射方向的重構[1519]，由于開關加載在天線上方的超表面中，所以開關對天線的輻射性能影響較小，但超表面的加載增加了天線的剖面高度，且天線波束傾斜角度較小。天線切換方式主要有機械控制[8，1920]和電控制[17，918]兩種，機械控制切換速度慢、復雜度高，而電控制切換速度快，成本低?；诖?，本文主要對一種方向圖可重構微帶貼片天線進行設計。在文獻[7]的基礎上，增加了寄生貼片的數(shù)量，所提出的方向圖可重構天線，通過在地面中加載開關，改變寄生貼片的電長度，實現(xiàn)天線5種輻射方向的重構，擴大了天線的波束覆蓋范圍。同時，采用AnsysHFSS軟件，對天線進行仿真測試，測試結果驗證了該天線方向圖可重構的特性。該研究具有一定的創(chuàng)新性和實用性。

1天線結構設計

本文對方向圖可重構微帶貼片天線結構進行設計，天線結構圖如圖1所示。該天線由位于中心的矩形輻射貼片和4個相同的矩形寄生貼片組成，激勵貼片與寄生貼片之間的距離較小，以利于貼片之間的耦合。每個寄生貼片邊緣處均設置一個金屬通孔，通孔半徑為0.2mm。金屬通孔所對應的底面位置設置4個半徑為4mm的圓形縫隙結構，用于安裝開關，并控制通孔與地面之間的連接，在高頻結構仿真（highfrequencystructuresimulator，HFSS）軟件中，使用理想導體模擬開關的導通狀態(tài)。

采用厚度為1mm的FR4天線基板，其相對介電常數(shù)為4.4，介質損耗角正切，為0.02?；迕娣e為140mm×110mm，其背面接50Ω同軸饋電線。天線各尺寸參數(shù)如下：w=40.5mm，l=28.8mm，wp=36.5mm，lp=28mm，g=2mm，u=8.7mm，v=3.8mm，a=7.3mm。通過控制開關的狀態(tài)天線，共有5種模式，天線工作狀態(tài)開關配置如表1所示。

2.1天線電流分析

天線各狀態(tài)電流分布圖如圖2所示，通過控制寄生貼片在短路和開路狀態(tài)之間的切換，可以改變寄生貼片的電長度。由八木天線理論可知，開路寄生貼片呈容性，為指向器，而其它短路寄生貼片呈感性，為反射器，因此波束朝向指向器方向偏轉。因此，通過切換寄生貼片的開路/短路狀態(tài)，可以重構天線表面的電流分布，從而實現(xiàn)波束指向的改變。

2.2天線尺寸參數(shù)分析

增加寄生貼片數(shù)量至4個后，為使天線達到最佳阻抗匹配及最大波束傾斜角度，需對天線的關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，包括輻射貼片寬度l、寄生貼片寬度lp、輻射貼片與寄生貼片之間的距離g以及饋電位置a。采用HFSS軟件，仿真分析這些參數(shù)對天線性能的具體影響，當一個參數(shù)變化時，其他參數(shù)均保持不變。

輻射貼片寬度l對天線S11的影響如圖3所示。由圖3可以看出，輻射貼片寬度l主要影響天線的諧振頻率和阻抗匹配，隨著l的增大，電流路徑變大，因此天線諧振頻率逐漸降低，帶寬左移，且諧振頻率處S11的值降低。由于所設計天線的目標頻段為無線網(wǎng)絡通信技術（wirelessfidelity，WIFI）2.4GHz（2.4～2.4835GHz）頻段中，因此選擇l=28.8mm。

寄生貼片寬度lp對天線方向圖的影響如圖4所示，由圖4可以看出，lp主要影響波束的傾斜角度和增益值，隨著lp的增加，天線增益值和偏轉角度均增大，當lp增加至28mm時，天線的波束傾斜角度達到最大值4°，增益值為4.78dBi，但當lp增加至29mm時，天線波束朝反方向傾斜10°，且增益值下降1.44dBi，為使天線增益值和傾斜角度最大，且波束指向目標方向，選擇lp=28mm。

輻射與寄生貼片間的距離對天線S11的影響如圖5所示，輻射與寄生貼片間的距離對方向圖的影響如圖6所示。由圖5和圖6可以看出，輻射與寄生貼片間的距離g主要影響天線的阻抗匹配和增益值。當寄生貼片距離輻射貼片1mm時，增益值增加0.23dBi，但S11值升高1.54dB;當寄生貼片與輻射貼片的距離增大至4mm時，S11值下降2.13dB，但增益值降低0.51dBi。通過對貼片距離g的4個不同尺寸對比，發(fā)現(xiàn)隨著g的增大，天線的阻抗匹配變好，但天線增益值逐漸下降，帶寬和波束傾斜角度變化不明顯。因此，綜合考慮天線的阻抗匹配及增益值，g的最優(yōu)值為2mm。

饋電位置a對天線S11的影響如圖7所示，饋電位置a對方向圖的影響如圖8所示，由圖7和圖8可以看出，饋電位置主要影響天線的帶寬和波束傾斜角度。當饋電位置下移至與貼片邊緣距離為5.3mm時，S11值下降16dB，右側截止頻率右移，帶寬變寬;當a=7.3mm時，波束傾斜角度為6°，當a增大或縮小時，波束的傾斜角度均變小。通過對饋電位置a不同尺寸的對比可知，隨著a的減小，天線阻抗匹配變好，帶寬增加，當a=7.3mm時，波束的傾斜角度最大。因此，綜合考慮天線的帶寬及波束傾斜角度，取a=7.3mm。-

3天線仿真和測試結果

對模式1、模式2和模式5這3種固定狀態(tài)的天線原型進行加工制作，天線模式2實物圖如圖9所示。

采用矢量網(wǎng)絡分析儀及方向圖測試系統(tǒng)，對天線實物進行測試，天線仿真和測試的S11曲線如圖10所示。由圖10可以看出，5種狀態(tài)同時覆蓋帶寬為2.40～2.43GHz，諧振頻率均為2.42GHz，測試所得到的3種狀態(tài)共同帶寬為2.43～2.45GHz，諧振頻率為2.44GHz，測試與仿真結果比較吻合。

天線在各狀態(tài)下的仿真方向圖如圖11所示，由圖11可以看出，天線波束可以在5種方向上進行切換，模式1和模式3波束指向的重構在±x方向實現(xiàn)，模式2和模式4波束指向的重構在±y方向實現(xiàn)，4個狀態(tài)下，θ的傾斜角度均為5°;模式5的波束沿+z方向實現(xiàn)，傾斜角度為0°。各狀態(tài)的3dB波瓣寬度為65°～68°，諧振頻率處的最大增益值在4.60～4.88dBi范圍內。

天線模式1、模式2和模式5的測試方向圖如圖12所示。由圖12可以看出，模式1的主輻射方向為θ=-7°，φ=31°，3dB波束寬度為69°;模式2的主輻射方向為θ=-6°，φ=80°，3dB波束寬度為75°;模式5的主輻射方向為θ=0°，3dB波束寬度為69°，3種模式下的最大增益值均在3.1～3.9dBi范圍內。仿真和測試得到的方向圖相比，主輻射方向略有偏移，但總體結果較為吻合。

4結束語

本文提出了一種方向圖可重構的貼片天線，通過控制寄生貼片上開關的導通和截止狀態(tài)，天線可以實現(xiàn)5種波束指向的重構。給出了天線結構及各參數(shù)，分析研究了各參數(shù)對天線特性的影響，并對3種狀態(tài)的天線原型進行加工制作。仿真及測試結果表明，該天線可以在水平面內切換92°，180°，267°，350°和+z方向這5種不同指向的波束;天線模式1、模式2和模式5的共同帶寬為2.43～2.45GHz，水平面上波束指向分別為31°和80°，垂直面上的傾斜角度為6°，測試結果驗證了該天線波束指向的可重構特性。與現(xiàn)有的方向圖可重構天線相比，本文所提出的天線，擴大了波束掃描范圍，波束在xoz面和yoz面內均能進行切換，且天線設計方法簡單、波束切換易于實現(xiàn)，制作成本低。該天線應用于WLAN通信系統(tǒng)中，可以根據(jù)需求改變波束指向，從而提高通信效率，降低干擾。本文天線僅使用理想導體的通斷模擬開關狀態(tài)，進一步將使用pin二極管和直流偏置電路控制寄生貼片狀態(tài);天線帶寬較窄，無法完全覆蓋wifi2.4GHz頻段，今后研究中可考慮通過在激勵貼片中蝕刻槽縫以拓寬帶寬。

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DesignofaMicrostripPatchAntennawithReconfigurablePattern

LIUQianqian，CHENYali，ZONGWeihua，LIShandong

（TheCollegeSchoolofElectronicandInformation，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China）Abstract：

Inordertosolvetheproblemsoflowswitchingspeed，highcomplexityandlowcostexistinginmechanicalcontrolandelectricalcontrol，thispapermainlydesignsapatternreconfigurablepatchantenna.Apatternreconfigurablepatchantennawithfivekindsofbeamdirectionsisproposed.Theantennaiscomposedofaradiationpatchandfourparasiticpatchesandfedbycoaxialline.Bycontrollingtheswitchesloadedontheground，eachparasiticpatchcanbeswitchedbetweendirectorandreflector，soastorealizethereconfigurationofthepattern.Atthesametime，simulationanalysisoftheantennaiscarriedoutbyusingAnsysHFSSsoftwareandthreekindsofantennaprototypewithfixedstatearefabricatedandmeasured.Thesimulatedresultsshowthatthebeamcanbeswitchedinfivedirectionsof92°，180°，267°，350°and+zdirection.Themeasuredresultsshowthatthecommonbandwidthofantennawithmodes1，2and5is2.43～2.45GHz.Thehorizontalbeamdirectionsare31°and80°，andtheinclinedangleofthebeamontheverticalplaneis5°.Thegainoftheantennainfivestatesis3.1～3.9dBi，andthewidthof3dBbeamwidthislessthan70°.Themeasuredresultsareingoodagreementwiththesimulatedresults，whichverifiesthepatternreconfigurablecharacteristicsoftheantenna.Theantennahassimplestructureandlowproductioncost，whichissuitableforWirelessLocalAreaNetwork（WLAN）systemandtheresearchhascertainapplicationvalue.

Keywords：reconfigurableantenna;microstrippatchantenna;pattern;beamadjustable

收稿日期：20211109;修回日期：20220112

基金項目：山東省自然科學基金資助項目（ZR2020MF023）

作者簡介：劉倩倩（1996），女，碩士研究生，主要研究方向為天線設計。

通信作者：宗衛(wèi)華（1975），女，博士，副教授，主要研究方向為天線設計和電磁材料測量。Email：weihuazong@126.com