一种方向图可重构微带贴片天线的设计

刘倩倩　陈娅莉　宗卫华　李山东

文章编号：10069798（2022）02002007;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.004

摘要：针对机械控制和电控制存在的天线切换速度慢、复杂度高和成本低等问题，本文主要对一种方向图可重构微带贴片天线进行设计。提出一种具有5种波束指向的方向图可重构贴片天线，该天线由辐射贴片和4个寄生贴片组成，采用同轴线馈电，通过控制地面加载开关，寄生贴片可以在指向器和反射器之间进行切换，从而实现方向图的重构，同时对3种固定状态的天线原型进行加工测试，并采用AnsysHFSS软件，对天线进行仿真分析。仿真结果表明，该天线波束可以在92°，180°，267°和350°以及+z方向这5种指向中进行切换，实测天线模式1、模式2和模式5的共同带宽为2.43～2.45GHz，水平面上波束指向分别为31°和80°，垂直面上的倾斜角度为6°，3种状态下的天线增益为3.1～3.9dBi，3dB波瓣寬度均小于70°，测试结果和仿真结果较为吻合，验证了该天线方向图可重构的特性。该天线结构简单，制作成本低，适用于无线局域网（wirelesslocalareanetwork，WLAN）系统中，该研究具有一定的应用价值。关键词：可重构天线;微带贴片天线;方向图;波束可调

中图分类号：TN828文献标识码：A

方向图可重构天线可以通过机械控制和电子开关等方式改变天线的辐射方向，实现波束扫描。同时，工作频率等其他性能保持不变，在一个天线上完成多个天线的功能，从而扩大天线的波束覆盖范围，降低噪声干扰，提高无线通信系统的灵活性，适应更加复杂多变的环境。近年来，方向图可重构天线被广泛应用于小基站以及射频识别（radiofrequencyidentification，RFID）等需要实时改变辐射方向的领域中。方向图的重构，是通过改变天线的电流分布来实现，通过重构天线结构，可以激发不同的辐射模式，如改变辐射贴片结构[14]、寄生贴片结构[58]以及接地面结构[910]，这种实现方法可对天线进行简单地控制，但电子开关的加载对天线影响较大，需要额外设计偏置网络。另外，将移相器和功分器进行结合，通过改变馈入相位也可实现方向图的重构[1112]，但移相器和功分器增加了天线的尺寸和制作成本。使用波束成形网络，并选择不同的馈电口馈电[1314]，此种实现方法无需为天线加载电子开关，但会增加天线馈电端口数量和天线结构的复杂度。通过在贴片天线上方加载可重构的超表面，可以实现天线辐射方向的重构[1519]，由于开关加载在天线上方的超表面中，所以开关对天线的辐射性能影响较小，但超表面的加载增加了天线的剖面高度，且天线波束倾斜角度较小。天线切换方式主要有机械控制[8，1920]和电控制[17，918]两种，机械控制切换速度慢、复杂度高，而电控制切换速度快，成本低。基于此，本文主要对一种方向图可重构微带贴片天线进行设计。在文献[7]的基础上，增加了寄生贴片的数量，所提出的方向图可重构天线，通过在地面中加载开关，改变寄生贴片的电长度，实现天线5种辐射方向的重构，扩大了天线的波束覆盖范围。同时，采用AnsysHFSS软件，对天线进行仿真测试，测试结果验证了该天线方向图可重构的特性。该研究具有一定的创新性和实用性。

1天线结构设计

本文对方向图可重构微带贴片天线结构进行设计，天线结构图如图1所示。该天线由位于中心的矩形辐射贴片和4个相同的矩形寄生贴片组成，激励贴片与寄生贴片之间的距离较小，以利于贴片之间的耦合。每个寄生贴片边缘处均设置一个金属通孔，通孔半径为0.2mm。金属通孔所对应的底面位置设置4个半径为4mm的圆形缝隙结构，用于安装开关，并控制通孔与地面之间的连接，在高频结构仿真（highfrequencystructuresimulator，HFSS）软件中，使用理想导体模拟开关的导通状态。

采用厚度为1mm的FR4天线基板，其相对介电常数为4.4，介质损耗角正切，为0.02。基板面积为140mm×110mm，其背面接50Ω同轴馈电线。天线各尺寸参数如下：w=40.5mm，l=28.8mm，wp=36.5mm，lp=28mm，g=2mm，u=8.7mm，v=3.8mm，a=7.3mm。通过控制开关的状态天线，共有5种模式，天线工作状态开关配置如表1所示。

2.1天线电流分析

天线各状态电流分布图如图2所示，通过控制寄生贴片在短路和开路状态之间的切换，可以改变寄生贴片的电长度。由八木天线理论可知，开路寄生贴片呈容性，为指向器，而其它短路寄生贴片呈感性，为反射器，因此波束朝向指向器方向偏转。因此，通过切换寄生贴片的开路/短路状态，可以重构天线表面的电流分布，从而实现波束指向的改变。

2.2天线尺寸参数分析

增加寄生贴片数量至4个后，为使天线达到最佳阻抗匹配及最大波束倾斜角度，需对天线的关键参数进行优化，包括辐射贴片宽度l、寄生贴片宽度lp、辐射贴片与寄生贴片之间的距离g以及馈电位置a。采用HFSS软件，仿真分析这些参数对天线性能的具体影响，当一个参数变化时，其他参数均保持不变。

辐射贴片宽度l对天线S11的影响如图3所示。由图3可以看出，辐射贴片宽度l主要影响天线的谐振频率和阻抗匹配，随着l的增大，电流路径变大，因此天线谐振频率逐渐降低，带宽左移，且谐振频率处S11的值降低。由于所设计天线的目标频段为无线网络通信技术（wirelessfidelity，WIFI）2.4GHz（2.4～2.4835GHz）频段中，因此选择l=28.8mm。

寄生贴片宽度lp对天线方向图的影响如图4所示，由图4可以看出，lp主要影响波束的倾斜角度和增益值，随着lp的增加，天线增益值和偏转角度均增大，当lp增加至28mm时，天线的波束倾斜角度达到最大值4°，增益值为4.78dBi，但当lp增加至29mm时，天线波束朝反方向倾斜10°，且增益值下降1.44dBi，为使天线增益值和倾斜角度最大，且波束指向目标方向，选择lp=28mm。

辐射与寄生贴片间的距离对天线S11的影响如图5所示，辐射与寄生贴片间的距离对方向图的影响如图6所示。由图5和图6可以看出，辐射与寄生贴片间的距离g主要影响天线的阻抗匹配和增益值。当寄生贴片距离辐射贴片1mm时，增益值增加0.23dBi，但S11值升高1.54dB;当寄生贴片与辐射贴片的距离增大至4mm时，S11值下降2.13dB，但增益值降低0.51dBi。通过对贴片距离g的4个不同尺寸对比，发现随着g的增大，天线的阻抗匹配变好，但天线增益值逐渐下降，带宽和波束倾斜角度变化不明显。因此，综合考虑天线的阻抗匹配及增益值，g的最优值为2mm。

馈电位置a对天线S11的影响如图7所示，馈电位置a对方向图的影响如图8所示，由图7和图8可以看出，馈电位置主要影响天线的带宽和波束倾斜角度。当馈电位置下移至与贴片边缘距离为5.3mm时，S11值下降16dB，右侧截止频率右移，带宽变宽;当a=7.3mm时，波束倾斜角度为6°，当a增大或缩小时，波束的倾斜角度均变小。通过对馈电位置a不同尺寸的对比可知，随着a的减小，天线阻抗匹配变好，带宽增加，当a=7.3mm时，波束的倾斜角度最大。因此，综合考虑天线的带宽及波束倾斜角度，取a=7.3mm。-

3天线仿真和测试结果

对模式1、模式2和模式5这3种固定状态的天线原型进行加工制作，天线模式2实物图如图9所示。

采用矢量网络分析仪及方向图测试系统，对天线实物进行测试，天线仿真和测试的S11曲线如图10所示。由图10可以看出，5种状态同时覆盖带宽为2.40～2.43GHz，谐振频率均为2.42GHz，测试所得到的3种状态共同带宽为2.43～2.45GHz，谐振频率为2.44GHz，测试与仿真结果比较吻合。

天线在各状态下的仿真方向图如图11所示，由图11可以看出，天线波束可以在5种方向上进行切换，模式1和模式3波束指向的重构在±x方向实现，模式2和模式4波束指向的重构在±y方向实现，4个状态下，θ的倾斜角度均为5°;模式5的波束沿+z方向实现，倾斜角度为0°。各状态的3dB波瓣宽度为65°～68°，谐振频率处的最大增益值在4.60～4.88dBi范围内。

天线模式1、模式2和模式5的测试方向图如图12所示。由图12可以看出，模式1的主辐射方向为θ=-7°，φ=31°，3dB波束宽度为69°;模式2的主辐射方向为θ=-6°，φ=80°，3dB波束宽度为75°;模式5的主辐射方向为θ=0°，3dB波束宽度为69°，3种模式下的最大增益值均在3.1～3.9dBi范围内。仿真和测试得到的方向图相比，主辐射方向略有偏移，但总体结果较为吻合。

4结束语

本文提出了一种方向图可重构的贴片天线，通过控制寄生贴片上开关的导通和截止状态，天线可以实现5种波束指向的重构。给出了天线结构及各参数，分析研究了各参数对天线特性的影响，并对3种状态的天线原型进行加工制作。仿真及测试结果表明，该天线可以在水平面内切换92°，180°，267°，350°和+z方向這5种不同指向的波束;天线模式1、模式2和模式5的共同带宽为2.43～2.45GHz，水平面上波束指向分别为31°和80°，垂直面上的倾斜角度为6°，测试结果验证了该天线波束指向的可重构特性。与现有的方向图可重构天线相比，本文所提出的天线，扩大了波束扫描范围，波束在xoz面和yoz面内均能进行切换，且天线设计方法简单、波束切换易于实现，制作成本低。该天线应用于WLAN通信系统中，可以根据需求改变波束指向，从而提高通信效率，降低干扰。本文天线仅使用理想导体的通断模拟开关状态，进一步将使用pin二极管和直流偏置电路控制寄生贴片状态;天线带宽较窄，无法完全覆盖wifi2.4GHz频段，今后研究中可考虑通过在激励贴片中蚀刻槽缝以拓宽带宽。

参考文献：

[1]SELVAMYP，KANAGASABAIM，ALSATHGN，etal.Alow-profilefrequencyandpattern-reconfigurableantenna[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2017，16：30473050.

[2]PANTA，KUMARL，GUPTARD，etal.Investigationonnon-linearaspectsofpatternreconfigurablehexagonshapedplanarloopantenna[J].IETMicrowavesAntennasandPropagation，2019，13（8）：11581165.

[3]SUNH，HUY，RENR，etal.Designofpattern-reconfigurablewearableantennasforbodycentriccommunications[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2020，19（8）：13851389.

[4]JIY，GEL，WANGJD，etal.SimplebeamscanningSIWcavity-backedslotantennausingpostloadedvaractor[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2019，18（12）：27612765.

[5]DARVAZEHBANA，REZAEIEHSA，ABBOSHA.Patternreconfigurableloop-dipoleantennaforelectromagneticpleuraleffusiondetection[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation，2020，68（8）：59555964.

[6]帅亮，丰励，杨辉，等.方向图可重构印刷小型天线的设计与实现[J].华侨大学学报（自然科学版），2019，40（6）：806811.

[7]SABAPATHYT，JAMLOSMF，AHMADRB，etal.Areconfigurablemicrostriprectangularparasiticarrayantenna[C]∥2013IEEESymposiumonWirelessTechnologyandApplications.Kuching：IEEE，2013：372375.

[8]HAOJX，RENJY，DUX，etal.Pattern-reconfigurableyagi-udaantennabasedonLiquidMetal[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2021，20（4）：587591.

[9]LUZL，YANGXX，TANGN.Amultidirectionalpatternreconfigurablepatchantennawithcsrrontheground[J].IEEEAntennas&WirelessPropagationLetters，2017，16：416419.

[10]ALAMMS，ABBOSHA.Acompactreconfigurableantennawithwidetunablefrequencyand360°beamscanning[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2019，18（1）：48.

[11]DINGC，GUOYJ，QINPY，etal.Acompactmicrostripphaseshifteremployingreconfigurabledefectedmicrostripstructure（RDMS）forphasedarrayantennas[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation，2015，63（5）：19851996.

[12]NikfalazarM，SAZEGARM，MEHMOODA，etal.Two-dimensionalbeam-steeringphased-arrayantennawithcompacttunablephaseshifterbasedonBSTthickfilms[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2017，16：585588.

[13]HUZX，WANGWW，SHENZX，etal.Low-profilehelicalquasi-yagiantennaarraywithmultibeamsattheendfiredirection[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2017，16：12411244.

[14]RENH，LIPZ，GUYX，etal.Phaseshifter-relaxedandcontrol-relaxedcontinuoussteeringmultiplebeamforming4×4butlermatrixphasedarray[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystemsI：RegularPapers，2020，67（12）：50315039.

[15]NAQVIAH，LIMS.Abeam-steeringantennawithafluidicallyprogrammablemetasurface[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation，2019，67（6）：37043711.

[16]JILY，ZHANGZY，LIUNW.Atwo-dimensionalbeamsteeringpartiallyreflectivesurface（PRS）antennausingareconfigurableFSSstructure[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2019，18（6）：10761080.

[17]YUJ，JIANGW，GONGSX.Low-RCSbeam-steeringantennabasedonreconfigurablephasegradientmetasurface[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters，2019，18（10）：20162020.

[18]李曉林，王志强，吴景峰.基于超材料结构的定频波束可调天线设计[J].太赫兹科学与电子信息学报，2017，15（5）：803806.

[19]ZHUHL，CHEUNGSW，YUKTI.Mechanicallypatternreconfigurableantennausingmetasurface[J].MicrowavesAntennasandPropagationIet，2015，9（12）：13311336.

[20]SHAOS，GUDANK，HULLJJ.Amechanicallybeam-steeredphasedarrayantennaforpower-harvestingapplications[AntennaApplicationsCorner][J].IEEEAntennasandPropagationMagazine，2016，58（3）：5864.-

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：山东省自然科学基金资助项目（ZR2020MF023）

作者简介：刘倩倩（1996），女，硕士研究生，主要研究方向为天线设计。

通信作者：宗卫华（1975），女，博士，副教授，主要研究方向为天线设计和电磁材料测量。Email：weihuazong@126.com