一種同頻方向圖可重構平面折合偶極子微帶天線(xiàn)

1引言

可重構天線(xiàn)技術(shù)作為一種新的天線(xiàn)技術(shù)，并將成為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)，已經(jīng)受到了國內外學(xué)都的廣泛關(guān)注。可重構天線(xiàn)共用一個(gè)輻射口徑，通過(guò)開(kāi)關(guān)改變其輸入阻抗、工作頻率、雷達散射截面、輻射方向圖和極化方式等參數，以適應不同的電磁環(huán)境和功能需要。方向圖可重構天線(xiàn)可以通過(guò)重構天線(xiàn)的方向圖特性，避免噪聲干擾，提高系統的增益和安全性能，同時(shí)定向輻射也可以節約能量。

目前在可重構天線(xiàn)的研究中，頻率可重構天線(xiàn)的研究較多，技術(shù)也較成熟，而保持工作頻率不變的方向圖可重構天線(xiàn)的研究相對較少，設計難度也較大，但是其性能更優(yōu)。通過(guò)改變寄生元件的長(cháng)度實(shí)現方向圖可重構是目前方向圖可重構的主要方法。保持波瓣形狀基本不變，而主瓣角度改變是目前方向圖可重構天線(xiàn)常采用的方式。在同一副天線(xiàn)上實(shí)現全向和定向方向圖的可重構天線(xiàn)較少，實(shí)現同頻工作的全向與定向方向圖更少。

本文提出了一種同頻方向圖可重構平面折合偶極子微帶天線(xiàn)，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)使天線(xiàn)的輻射方向圖在全向與定向之間重構，工作頻段保持在3.76～4.3GHz，實(shí)現同頻工作。在4GHz天線(xiàn)在定向輻射時(shí)的最高增益為6.7dBi,全向輻射時(shí)的最大增益為3.9dBi。該天線(xiàn)可以應用在不同的無(wú)線(xiàn)通信場(chǎng)合，可以根據實(shí)現通信環(huán)境的需要實(shí)時(shí)的選擇合適的輻射方向圖，從而提高系統性能。

2天線(xiàn)設計與分析

天線(xiàn)結構如圖1所示，天線(xiàn)由兩個(gè)關(guān)于XOZ面對稱(chēng)的半波折合偶極子結構和“工”字形部分接地結構組成。對稱(chēng)的半波折合偶極子結構具有可重構的潛力，而“工”字形的部分接地結構使該天線(xiàn)具有小型化和寬頻帶的特點(diǎn)。

該天線(xiàn)結構重構的原理：當對兩個(gè)折合偶極子同時(shí)饋電時(shí)，輻射方向圖為全向，僅對一邊折合偶極了饋電時(shí)，輻射方向圖為定向。為了達到重構的目的，在折合偶極子與微帶饋線(xiàn)連接的臂中安裝了3個(gè)開(kāi)關(guān)A、B、C。為了使天線(xiàn)在兩種工作狀態(tài)下能工作在同一頻段，且保持寬頻帶特性，在微帶饋線(xiàn)的一邊增加了一支調節臂，用于天線(xiàn)工作在全向輻射方向圖時(shí)調節天線(xiàn)的工作頻帶和帶寬，因此在此臂中安裝了開(kāi)關(guān)D，當天線(xiàn)的輻射方向圖為全向的時(shí)候起調節作用，輻射方向圖為定向的時(shí)候不起調節作用。開(kāi)關(guān)狀態(tài)與輻射方向的對應關(guān)系如表1所示。

表1開(kāi)關(guān)狀態(tài)與輻射方向的對應表

天線(xiàn)設計以中心工作頻率f0=4GHZ進(jìn)行設計，折合振子的線(xiàn)寬t=1.5mm,間距s2=1mm，縫隙s3=0.5mm。由于本文中的折合偶極子的橫向長(cháng)度L1較大，所以豎直長(cháng)度L2不等于二分之一工作波長(cháng)，在介電常數和工作頻率一定的情況下，根據折合偶極子的總長(cháng)為一個(gè)工作波長(cháng)，L1和L2之間的關(guān)系為：L1+L2=20mm。部分接地結構中d1=11mm,約為四分之一波長(cháng)。微帶饋線(xiàn)的特性阻抗設計為50Ω，對應的微帶線(xiàn)寬度Wg根據公式(1)確定,計算得到Wg=2.2mm。

（1）

式(1)成立的條件為，式中為自由空間的波阻抗，為有效介電常數：

（2）

式(2)中的為介質(zhì)板的相對介電常數。

圖1天線(xiàn)結構示意圖