三角形貼片的方向圖可重構(gòu)天線

1引言

可重構(gòu)天線的概念最早是在1983年的專利“FrequencyAgile,PolarizationDiverseMicrostripAntennasandFrequencyScannedArrays”中提出的。按照其重構(gòu)功能，主要可分為頻率可重構(gòu)天線和方向圖可重構(gòu)天線。頻率可重構(gòu)天線可以改變工作頻率，而使方向圖基本保持不變；方向圖可重構(gòu)天線則可以重構(gòu)輻射方向圖，而保持頻率穩(wěn)定,從而一個天線具有了多個天線的功能。將方向圖可重構(gòu)天線運用于天線陣列時，可以通過改變單元的波束方向，使不同單元的波束方向都集中于某個方向而提供更高的陣列增益；也可以將其運用于無線通信系統(tǒng)，通過改變波束方向，使信號對準(zhǔn)需要通信的用戶，或避開干擾源等，從而提高信號質(zhì)量。因此可重構(gòu)天線仍然是目前天線領(lǐng)域的研究熱點。

眾所周知，八木天線有著很好的方向性，在測向和遠(yuǎn)距離通信方面有著良好的應(yīng)用。微帶貼片天線體積小，重量輕，剖面低，可以與載體共形，且制造簡單成本低。將微帶貼片與八木天線相結(jié)合，就可以構(gòu)成微帶矩形貼片八木天線和微帶振子天線。在微帶振子上安裝開關(guān)，改變寄生振子的長度，構(gòu)成了一種方向圖可重構(gòu)的微帶八木天線。通過在微帶貼片上進行槽加載，并引入開關(guān)，就構(gòu)成了矩形貼片的可重構(gòu)八木天線。三角形微帶貼片天線與矩形微帶貼片天線具有類似的場結(jié)構(gòu)和諧振頻率，但貼片的面積卻相對較小，在實際應(yīng)用中可以滿足天線貼片小型化等某些特殊的性能要求。本文用三角形貼片作為八木天線單元，構(gòu)成了一種方向圖可重構(gòu)天線。通過在寄生貼片上蝕刻簡單的矩形槽，并安裝開關(guān)，實現(xiàn)了天線輻射方向圖朝三個不同方向偏轉(zhuǎn)。與文獻(xiàn)中提出的矩形貼片結(jié)構(gòu)的八木天線相比，槽的結(jié)構(gòu)更簡單，且開關(guān)數(shù)量更少。

2天線的設(shè)計

天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，三角形貼片的可重構(gòu)八木天線的陣元由三個三角形貼片順向放置在同一條直線上構(gòu)成。中間稍大一些的三角形貼片作為激勵元，通過同軸探針饋電，兩個相同但尺寸較小的三角形貼片分別放置在兩側(cè)，作為寄生元。在兩個寄生元貼片上的相同位置都蝕刻了一個矩形縫隙，并在矩形縫隙的中間安裝了一個開關(guān)。可以通過改變開關(guān)的狀態(tài)來改變寄生貼片上表面電流的分布，最終實現(xiàn)天線輻射方向圖的重構(gòu)。

天線的介質(zhì)基片的尺寸為34×17mm，介質(zhì)板的厚度取0.76mm，相對介電常數(shù)為2.94。三角形貼片的邊長分別為10mm和8mm，寄生貼片上所蝕刻的矩形縫隙的尺寸為5.0×0.4mm，開關(guān)的尺寸為0.4×0.4mm，矩形縫隙與三角形頂點之間的距離b=4.9647mm。

在三角形的寄生貼片上蝕刻一個矩形槽縫，可以起到切割貼片上的表面電流，進而改變貼片的表面電容和電感，使寄生貼片在輻射過程中起到不同的作用。經(jīng)HFSS仿真表明，在這個天線中，當(dāng)寄生貼片上的開關(guān)斷開時，寄生貼片作為引向器，可以令天線的波束輻射方向朝寄生貼片所在的方向偏轉(zhuǎn)，我們稱此時寄生貼片的狀態(tài)為D；當(dāng)寄生貼片上的開關(guān)閉合時，寄生貼片對于天線的輻射波束方向幾乎沒有影響，我們稱此時寄生貼片的狀態(tài)為N，所以此天線至少有著三種模式，模式DN,ND和NN。模式DN就是指左邊寄生貼片上的開關(guān)斷開，作為引向器，而右邊寄生貼片上的開關(guān)閉合，天線的方向圖向左邊(Y軸負(fù)向)偏轉(zhuǎn)；模式ND與模式DN相反，指右邊寄生貼片上的開關(guān)斷開，作為引向器，而左邊寄生貼片上的開關(guān)閉合，天線的方向圖向右邊(Y軸正向)偏轉(zhuǎn)；模式NN是指左右兩邊的寄生貼片上的開關(guān)都閉合，此時天線的波束方向是向貼片正上方輻射的。

(a)天線的整體結(jié)構(gòu)

(b)天線寄生元的具體結(jié)構(gòu)

圖1天線的結(jié)構(gòu)圖

3仿真結(jié)果

圖2是在這三種模式下的|S11|參數(shù)曲線。通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，在這三種模式下天線的諧振頻率都在10.9GHz附近。當(dāng)|S11|小于-10dB時，三種模式的公共頻帶從10.74GHz到11.0GHz,相對帶寬約為2.4%。在使用HFSS軟件進行仿真模擬時，為了仿真方便，并沒有采用真實的開關(guān)模型，而是使用了理想的金屬貼片來代替開關(guān)，在矩形縫隙中間增加金屬貼片表示開關(guān)閉合，沒有金屬貼片則表示開關(guān)斷開。

圖2三種模式下的S參數(shù)

圖3三種模式下的YOZ面的增益方向圖

圖3所示的是在頻率為10.9GHz時這三種模式下YOZ面的增益方向圖，在模式DN時，最大增益方向在-26°(+334°)方向上，最大增益為8.33dBi，3-dB波束覆蓋俯仰角的掃描范圍可以從-56°(+304°)到+5°；在模式ND時，最大增益方向在+34°方向上，最大增益為8.70dBi，掃描范圍從+6°到+60°；在模式NN時，最大增益方向在+12°方向上，最大增益為6.88dBi，掃描范圍從-30°(+330°)到+40°。

4結(jié)論

本文提出了一種由三個三角形貼片結(jié)構(gòu)的方向圖可重構(gòu)微帶八木天線，通過改變寄生貼片上的開關(guān)狀態(tài)，可以令天線工作在三種不同的模式，當(dāng)頻率為10.9GHz時，可以實現(xiàn)波束輻射方向在上半空間從-56°到+60°范圍的掃描。當(dāng)天線的輻射波束分別向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)時，即在模式DN和模式ND時，最大增益比不偏轉(zhuǎn)時(模式NN)大1.5dBi左右，說明天線在重構(gòu)方向圖的同時對輻射能量也有一定的匯聚作用。