具有频移特性的方向图可重构的天线设计与实现

汪圣杰，顾涓涓，胡国华

(合肥学院电子信息与电气工程系，安徽合肥 230601)

具有频移特性的方向图可重构的天线设计与实现

汪圣杰，顾涓涓，胡国华

(合肥学院电子信息与电气工程系，安徽合肥 230601)

在通信系统快速发展的今天，系统中需要的天线数量也在大幅增加。为了提高通信质量、降低成本、减轻重量以及实现良好的电磁兼容特性，可重构天线的概念应运而生，并在天线研究领域受到了广泛关注。通常情况下，方向图可重构天线的设计方法是依赖相控阵天线原理实现的，但是制作的天线体积较大而且结构复杂。本文提出一种结构新颖的方向图可重构天线，该天线能够工作在WLAN频段，仿真结果表明该天线在工作频段内具有良好的回波损耗特性以及较高的增益，能够满足通信系统的应用需求，且具有结构简单、重量轻、剖面低、易于制作的优点。

回波损耗；增益；方向图可重构天线；WLAN

随着信息技术的发展，以无线传输方式传递信息的现代移动通信、卫星通信、各种军/民用雷达和飞行器等，在国民经济及国防领域中的地位变得越来越重要。作为无线通信系统的重要组成部分，天线起着辐射和接收电磁波实现能量转换的作用[1-2]。因此，无线通信系统的性能与天线的工作特性紧密相关，这使得天线技术的发展成为无线信息技术领域的重要研究内容。

在科技快速发展的今天，为了满足用户对通信网络带宽及传输速率日益增长的需求，可重构天线已成为天线领域的研究热点。可重构天线在无线通信系统中能够根据实际应用的需求来改变其特性参数，不需人工干预且能够方便控制。可重构天线在通信系统中能够增加带宽、提高系统容量、实现软件无线电，这给无线电技术的发展带来了深远的影响。

1 天线的结构设计

本文中的天线使用FR4板材制作，通过优化设计最终得到图1所示的天线总体结构，天线的背面如图1(b)所示，天线的背面为天线的地，该地由圆形金属外加互相间隔120°金属矩形地构成。其中金属矩形具有频移特性，具有移动中心频点特性，通过这种技术拓展天线带宽[3-4]。天线的正面如图1(a)所示，天线的正面有6个天线振子，这6个天线振子组成3组，每组之间间隔120°并通过阻抗间变结构汇集到天线的馈电点。但是3组天线振子没有直接与馈电点相连，而是通过PIN二极管控制与馈电的相连，如此通过控制PIN二极管能够有效控制与馈电相连的振子，从而达到对天线辐射方向图的控制。阻抗渐变结构是设计的关键[5]，它极大影响天线的匹配即回波损耗特性。表1给出了天线通过HFSSver13.0仿真优化得到的最终的参数优化值。

2 天线性能及分析

图2给出了该天线在PIN开关分别打开时天线的S11，回波损耗曲线分为3组，PIN1和PIN2开关对应的S11曲线为一组，PIN3和PIN4开关对应的S11曲线为一组，而PIN5和PIN6开关对应的曲线为一组。为了更清晰地阐述该天线的频移作用，图3单独给出了PIN1开关和PIN2开关所对应的S11曲线。天线的回波损耗曲线在不同开关下具有频移作用，这种作用使得天线的谐振频率曲线呈W型，有效地增加了天线的带宽。该天线在5.06～5.37GHz频段内达到了良好的匹配，满足无线通信系统的需求。

(a)天线的正面结构图 (b)天线的背面结构图图1 天线的总体结构图

结构参数值(mm)结构参数值(mm)R11．7R28H1．6L15L21．5L49L51．2L61．5L70．9L81．8W14．5W21W35．35W43．2W511．6W61．5W70．9

图2 不同PIN开关下天线的回波损耗图

图3 PIN1和PIN2开关的天线回波损耗图

图4 不同PIN开关下天线的辐射方向图

图4显示了天线在不同PIN开关下天线的辐射方向图，研究表明不同开关下天线的主辐射方向图的方向不同，具有6个主辐射方向，每个主辐射方向大致间距60°，且各自的波束宽度也为60°。该结果表面光，通过控制PIN开关的通断能够有效达到控制天线主辐射方向，从而实现方向图可重构的功能。

从图4中可以看出，不同开关下天线的辐射方向图不同，PIN1开关下的主辐射方向在Phi=0°，Theta=100°，最大增益为3.85dB，且从方向图中可以看出波束宽度为60°；PIN2开关下的主辐射方向在Phi=180°，Theta=100°，最大增益为3.4dB，波束宽度为60°。其它开关下天线的辐射方向分析与此类似，由此实现了天线方向图可重构的目的。

由于天线的阻抗渐变机构极大影响天线的匹配，因此本文对阻抗匹配参数W6进行了研究，对W6参数进行参数化分析，设起始值为0.5mm，设终值为2.5mm，步长为0.5mm。图5给出了参数扫描下的天线的回波损耗图，可以看出阻抗匹配参数极大地影响了天线的回波损耗曲线，最终选取回波损耗最佳曲线所对应的参数值，即W6=1.5mm。图6为根据仿真优化的结构制作出的天线实物图。

图5 PIN1开关下参数扫描W6的天线回波损耗图

图6 天线实物图

3 结语

本文针对一款具有频移特性的方向图可重构的天线进行了设计并实现。研究结果表明，控制开关的通断，使天线具有在目标频段内频移的特性，有效地提升了天线的带宽，同时可以作为低剖面微带天线拓展带宽的一种方法。天线在不同开关下辐射方线图不同，能够实现6个主辐射方向的扫描，主辐射方向互相间距60°,且天线在每个主辐射方向具有较高的增益，最大增益接近4dB。

[1]郭辉萍,刘学观.电磁场与电磁波[M].西安:西安电子科技大学出版社,2010:26-31.

[2]钟顺时.天线理论与技术[M].北京:电子工业出版社,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.张肇仪,等,译.北京:电子工业出版社,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

合肥学院2016年自然科学科研发展基金项目“电磁能量收集技术研究以及关键组成部件的研究设计”(0395841698)；安徽省高等学校省级质量工程项目“通信工程开放实训(实验)中心”(2015sxzx018)；安徽省高等学校省级质量工程项目“环境智能控制创客实验室”(2015ckjh062)；安徽省高等学校省级质量工程项目“通信技术综合实训认证的教学改革与研究”(2016jyxm0884)；安徽省高校优秀中青年骨干人才国外访学研修重点项目(gxfxZD2016222)；安徽省教育厅自然科学基金重点项目“肺部CT图像兴趣区域的实值离散Gabor变换压缩算法研究”(KJ2015A164)。

汪圣杰(1989- )，男，助教，博士研究生，从事电磁场与微波技术、嵌入式研究。

TN011

A

2095-7602(2017)08-0017-05