波束切换超材料激励微带天线

张利敏 李晗琳 曾幸

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714083

摘要：本研究提出的天线增益增强技术是利用MTM来实现的。设计了波束切换矩形微带天线，采用双寄生贴片，在其上面还有两个PIN二极管。分别对采用和不采用MTM上层介质开关光束微带天线进行了仿真。仿真有良好的效果，工作频率（2.42.5GHz）范围内有良好的阻抗匹配（|S11|<10dB）。在工作频率范围内，单向辐射模式下测得的平均增益是7dBi，对2.425GHzWLAN系统具有可操作性和能够在XY平面的三个方向切换。

关键词：增益提高；超材料；微带；寄生贴片；PIN二极管

从无线通信的指数增长来看，智能手机和笔记本电脑都促成了这样一种现象，即对数字无线通信等容量的需求。此外，当遭遇了障碍物之后会发生波反射和散射的时候，数字无线技术会遭受多径衰落效应。使用智能天线，波束转向天线或波束切换天线可以有效地被解决。

用于无线通信网络的波束切换天线，可以旋转的主光束超过360度左右的方位角，并具有宽的阻抗带宽。盘天线通过使用四引脚二极管的通态和关断状态的方位角来控制主波束。PIN二极管采用短的辐射贴片到地平面以改变辐射模式。此外，这些组件可以用来控制天线的主光束，如晶体管，场效應晶体管（FET），和射频微机电系统（RFMEMS）开关。本文研究的是波束切换天线中利用超常介质（MTM）的基板来提高增益。该天线是矩形微带结构，包含微带馈电线，两个寄生贴片和两个用于改变主波束方向PIN二极管。该天线能够在WLAN系统中的2.42.5GHz频率范围内工作并有三种模式可以切换。

1 波束切换天线的结构

图1是波束切换天线示意图。最初，馈电微带线是在一个厚度为3.2mm的FR4基板上中心频率为2.45GHz的条件下进行仿真的。这个馈电线通过（1）来计算以特性阻抗为50Ω来匹配贴片天线和微带线。这个馈电线位于矩形贴片的边缘。这个矩形贴面的设计根据以主模方式传输的模型（TM010）正如（2）所示。

Zc=120πε0w0h+1.393+0.667ln（w0h+1.444），w0h>1（1）

w=12frμ0ε02εr+1（2）

εeff是相对介电常数，W0是微带馈电线宽度，h是基板厚度，W是微带贴片宽度。

这款天线，在辐射贴片的两边添加寄生贴片，在寄生贴片与接地平面之间采用PIN二极管。图1（a）（b）展示了天线结构。当PIN二极管放置在两个寄生贴片上的时候，调节寄生贴片和辐射贴片之间的距离能够改变辐射模式。PIN二极管将辐射贴片与地平面连接起来，如图1（c）。改变寄生贴片的尺寸，可以获得合适的参数。寄生贴片和辐射贴片之间的距离可以减少相互耦合的影响。

仿真结果S11如图2所示。可以看出S11在三种模式工作下有微小变化的，但不影响它覆盖整个频率范围。

2 使用MTM来提高增益

为了提高增益，采用MTM作为覆板，放置在天线前端，距离为2mm。MTM排列成三层17×7的周期性结构。研究发现|S11|改变使得谐振频率更高。增益随着层数的增加而提高，但层数越大，波束宽度越窄。三层是相较于之前的天线结构更合适的层数。

[JZ]

[JZ]图3 有三层MTM波束切换微带的S11

研究带有MTM的天线的工作模式，发现每种模式下S11和辐射方向图都在范围之内。图3所示当PIN二极管工作在较高的谐振频率下时每种模式下的S11都是变化的。

3 結论

本研究提出了波束切换天线，其中两个PIN二极管被用来控制主波束的方向MTM侧枝用来提高天线的增益。两种波束切换天线都可以工作在2.42.5GHz的WLAN系统之下，在XY平面的三个方向0°，30°，330°都是可切换的。仿真验证三层MTM应用作为覆板可以提高天线增益。