频率和方向图可重构天线设计*

赵虎辰，唐 涛，黄和平，张谢逊

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所 遥控遥测专业部，河北 石家庄 050081；2.西南民族大学 电子信息学院，四川 成都 610225；3.国家民委 电子信息工程重点实验室，四川 成都 610041）

0 引言

近年来，随着现代雷达和通信技术的不断成熟，通信系统在小型化、多频段、超频段、大容量以及功能多样化方面得到了迅猛发展。同样的物理结构和尺寸，可重构天线赋予多个天线的功能，从而使一个天线或天线阵具备多个天线的能力。这种技术显著降低了系统所需的天线数量，进而缩减了系统的成本、重量和体积，同时还显著提高了系统的电磁兼容性。因此，可重构天线技术受到国内外的广泛关注[1-6]。重构天线又称为自组构天线，一般通过辐射单元表面电流或辐射口径场的改变实现天线电性能的调整[7]。

可重构天线可按其功能分为频率可重构、方向图可重构、极化可重构和多电磁参数可重构等类型。通过改变其结构，可实现一种或多种参数（如工作频率、辐射方向和极化方式）的可重构，从而切换天线工作状态，获得多种工作模式，有助于传输过程中实现多种有效的分集[8]。

加载二极管是实现天线频率可重构的途径之一，Han 等人设计了一种频率可重构贴片天线[9]，通过在辐射贴片上开一个“U”形缝隙和两个“L”形缝隙，并在缝隙中加载了3 个PIN 二极管，使天线能在3 个不同频点间切换工作。Majid 等人设计了一种频率可重构槽线天线[10]，通过调节加载槽上两个变容二极管的控制电压，来改变变容二极管工作状态，可以使天线在1.98 GHz～3.41 GHz 的频段内的8 个频点上工作。

方向图可重构通常是通过改变辐射贴片的面电流分布来实现的。Jung 等人设计了一款方向图可重构天线[11]，通过切换贴片和馈线之间的缝隙上3 组开关的状态，实现天线辐射方向的改变，天线最大辐射方向可以在θ=±30°和0°之间切换。关于频率可重构和方向图可重构的天线研究比较多，但是对同时实现频率与方向图可重构的天线的研究还不多[12]。

本文设计了一种能同时实现频率与方向图可重构的微带天线。该微带天线是基于单极子天线的变形结构[13-14]，天线由带有倒“Ω”形缝隙的金属地板和辐射贴片组成，分别印制在介质板的两面，通过改变位于地板缝隙中心处的开关二极管的工作状态，天线的有效长度和表面电流分布将会发生变化，实现天线工作频率和方向图的改变。

1 天线结构设计

天线由具有倒“Ω”形缝隙的金属地板和辐射贴片组成，分别印制在介质板的正反两面，位于地板上的缝隙中心处加载有一个PIN 二极管，通过改变其工作状态，天线的局部结构和表面电流分布将会发生变化，实现天线工作频率和方向图的可重构。其中PIN 二极管采用M/A-COM 公司的MA4AGBLP912。在截止状态下，该二极管呈现电容特性，电容典型值为28 fF，反向电阻为10 kΩ；在导通状态下，该二极管呈现电阻特性，电阻典型值为4 Ω。极小的电容和较高的反向电阻确保该二极管处于截止状态下的信号阻断，而低导通电阻可以保证该二极管的导通损耗处于较低的水平。

通过调节PIN 二极管的导通或者截止，可以使天线工作于不同的状态。根据数据手册，该二极管两端加载电压为0 V 时，二极管截止；两端加载电压为5 V 时，二极管导通。因此，通过改变二极管两端的偏压可实现二极管工作状态的切换。

天线介质板选用FR4 板材，其相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。天线整体结构如图1 所示，其总体尺寸为62 mm×50 mm×0.8 mm，其各部位具体相关尺寸参数如表1 所示。

表1 天线尺寸参数 (mm)

图1 天线结构图

2 仿真与实测结果

2.1 仿真结果

将PIN 二极管设置为导通时，该天线的回波损耗（S11）如图2（a）所示。可以看到，当二极管处于导通模式时，天线处于单频工作模式，天线的谐振点在3 GHz左右，其工作频带宽度达到1 GHz，覆盖了WIMAX 主要频段，谐振深度大于25 dB。当二极管处于截止模式时，该天线的回波损耗（S11）如图2（b）所示。可以看到，该天线谐振点在3 GHz 和5.8 GHz 左右，即工作在双频模式[15]，工作频带范围覆盖WIMAX 和WILAN 部分频段，谐振深度均大于18 dB。

图2 天线回波损耗

图3 显示了两种工作模式时的天线辐射方向图。可见天线方向图在二极管导通的工作模式下，低频处3 GHz 的增益为4.2 dBi；而在二极管截止时，天线低频处3 GHz 的方向图和增益几乎和二极管导通时一致，但是在其高频谐振点，即5.8 GHz 处，其主要辐射方向为+Z方向，且最大增益为1.65 dBi。

图3 两种工作模式方向图

2.2 测试结果

天线加工样品如图1（c）所示，使用矢量网络分析仪对其工作频带进行测试，另外使用信号源和频谱仪以及标准偶极子，使用对比法可以测试天线的增益，测试结果和仿真结果对比如表2 所示，二极管使用直流电源供电。

表2 测试和仿真结果对比

从表2 可以看到，天线测试频段比仿真频段均稍微偏高，且频带宽度稍窄，测试增益比仿真增益低0.1～0.3 dBi，考虑到加工和测试误差，测试结合和仿真结果基本一致。

3 频率与方向图可重构的实现

天线的输入阻抗主要由馈电点和天线辐射单元表面电流的分布情况决定，而其远场辐射模式则取决于天线上时变源的分布状态。也即对于天线而言，其频响特性和远场辐射都是由天线表面电流分布决定的。因此，重构天线的任何一个参数都可能会影响天线的另一个性能参数。目前大多数频率可重构天线都是基于各种改变天线辐射的物理长度或者加载可调器件（例如变容二极管）的方式来实现的。然而，这种方法会带来天线尺寸过大、加工难度大等缺点。

而对于天线方向图的可重构，由八木天线（Yagi-Uda）原理可知，通过在偶极子天线适当位置加载反射器、引向器，可以实现天线在某一方向具有较高增益，从而实现定向辐射[16-17]。然而实际设计中，反射器和引向器的尺寸、加载位置需要进行优化确认。反射器和引向器的应用也会带来天线整体体积上升，这使得天线小型化难度增加。

如图1 所示，本设计中，金属地板开有倒“Ω”形缝隙结构，在缝隙中心对称处放置PIN 二极管，通过改变二极管两端的直流偏置电压，可改变天线的有效谐振长度和电流分布，为方便分析，给出两种工作模式下，天线辐射单元表面的电流密度分布如图4 所示。

图4 天线表面电流分布

图4（a）可见，二极管导通时，金属地板连接成为整体，高频谐振点消失，产生的低频谐振点与二极管断开时相同。同时由于倒“Ω”形缝隙产生的“缺陷地”结构，故天线低频段的带宽得到有效拓宽[18]。图4（b）为二极管截止时电流密度分布图，此时天线分成上下两部分，靠近馈源部分的金属地板与顶部辐射贴片产生高频谐振，上部通过缝隙耦合实现能量传输，整体形成低频谐振。因此,天线存在着高频谐振点和低频谐振点的谐振组合。

该天线在二极管导通和截止条件下的重构特性可以进一步解释为：根据等效电路谐振理论，天线的等效电感和等效电容与谐振频点的关系:

当二极管截止时，天线接地板减小，对应等效电容的面积减小，等效电容减小，因此，带来高频谐振。另外，当二极管导通时，天线可以等效为两个沿馈线对称的半波长偶极子天线，偶极子天线的两个臂为L5加上天线上部的半环结构的一半为50.485 mm，刚好约等于3 GHz 对应的半波长。根据天线臂上电流分布[19]:

4 结论

当二极管截止时，由于缝隙耦合，低频点始终存在，但是此时天线上部靠近圆环处横着的贴片上电流分布较大，产生辐射，该部分长度为28 mm，略大于5.8 GHz对应的半波长，由于馈电点位于两侧，因此两侧位置处z=0，有电流最大值，而中点电流最小，图4（b）显示的仿真结果也与理论相符。

如图3（c）所示，此时由于地板不再是一个整体，对于5.8 GHz 而言，其辐射方向图也不再是标准的全向辐射。

本文采用在地板缝隙处加载开关二极管的方式，提出了一款可改变频率和方向图的可重构天线。通过改变二极管的工作模式实现了单频和双频工作模式的切换。当二极管导通时，该天线呈现单频工作模式，其谐振频点在3 GHz 处，覆盖了WIMAX 主要频段。当二极管截止时，该天线呈现双频工作模式其谐振点分别位于3 GHz 和5.8 GHz 处，且工作频带涵盖WIMAX 和部分WILAN 频段。天线采用单极子结构，并在地板加载“Ω”形缝隙，形成具有“缺陷地”结构，从而赋予天线显著的宽带特性。