三角形貼片的方向圖可重構天線(xiàn)

1引言

可重構天線(xiàn)的概念最早是在1983年的專(zhuān)利“FrequencyAgile,PolarizationDiverseMicrostripAntennasandFrequencyScannedArrays”中提出的。按照其重構功能，主要可分為頻率可重構天線(xiàn)和方向圖可重構天線(xiàn)。頻率可重構天線(xiàn)可以改變工作頻率，而使方向圖基本保持不變；方向圖可重構天線(xiàn)則可以重構輻射方向圖，而保持頻率穩定,從而一個(gè)天線(xiàn)具有了多個(gè)天線(xiàn)的功能。將方向圖可重構天線(xiàn)運用于天線(xiàn)陣列時(shí)，可以通過(guò)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(gè)方向而提供更高的陣列增益；也可以將其運用于無(wú)線(xiàn)通信系統，通過(guò)改變波束方向，使信號對準需要通信的用戶(hù)，或避開(kāi)干擾源等，從而提高信號質(zhì)量。因此可重構天線(xiàn)仍然是目前天線(xiàn)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

眾所周知，八木天線(xiàn)有著(zhù)很好的方向性，在測向和遠距離通信方面有著(zhù)良好的應用。微帶貼片天線(xiàn)體積小，重量輕，剖面低，可以與載體共形，且制造簡(jiǎn)單成本低。將微帶貼片與八木天線(xiàn)相結合，就可以構成微帶矩形貼片八木天線(xiàn)和微帶振子天線(xiàn)。在微帶振子上安裝開(kāi)關(guān)，改變寄生振子的長(cháng)度，構成了一種方向圖可重構的微帶八木天線(xiàn)。通過(guò)在微帶貼片上進(jìn)行槽加載，并引入開(kāi)關(guān)，就構成了矩形貼片的可重構八木天線(xiàn)。三角形微帶貼片天線(xiàn)與矩形微帶貼片天線(xiàn)具有類(lèi)似的場(chǎng)結構和諧振頻率，但貼片的面積卻相對較小，在實(shí)際應用中可以滿(mǎn)足天線(xiàn)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(xiàn)單元，構成了一種方向圖可重構天線(xiàn)。通過(guò)在寄生貼片上蝕刻簡(jiǎn)單的矩形槽，并安裝開(kāi)關(guān)，實(shí)現了天線(xiàn)輻射方向圖朝三個(gè)不同方向偏轉。與文獻中提出的矩形貼片結構的八木天線(xiàn)相比，槽的結構更簡(jiǎn)單，且開(kāi)關(guān)數量更少。

2天線(xiàn)的設計

天線(xiàn)的結構如圖1所示，三角形貼片的可重構八木天線(xiàn)的陣元由三個(gè)三角形貼片順向放置在同一條直線(xiàn)上構成。中間稍大一些的三角形貼片作為激勵元，通過(guò)同軸探針饋電，兩個(gè)相同但尺寸較小的三角形貼片分別放置在兩側，作為寄生元。在兩個(gè)寄生元貼片上的相同位置都蝕刻了一個(gè)矩形縫隙，并在矩形縫隙的中間安裝了一個(gè)開(kāi)關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)改變開(kāi)關(guān)的狀態(tài)來(lái)改變寄生貼片上表面電流的分布，最終實(shí)現天線(xiàn)輻射方向圖的重構。

天線(xiàn)的介質(zhì)基片的尺寸為34×17mm，介質(zhì)板的厚度取0.76mm，相對介電常數為2.94。三角形貼片的邊長(cháng)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(kāi)關(guān)的尺寸為0.4×0.4mm，矩形縫隙與三角形頂點(diǎn)之間的距離b=4.9647mm。

在三角形的寄生貼片上蝕刻一個(gè)矩形槽縫，可以起到切割貼片上的表面電流，進(jìn)而改變貼片的表面電容和電感，使寄生貼片在輻射過(guò)程中起到不同的作用。經(jīng)HFSS仿真表明，在這個(gè)天線(xiàn)中，當寄生貼片上的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，寄生貼片作為引向器，可以令天線(xiàn)的波束輻射方向朝寄生貼片所在的方向偏轉，我們稱(chēng)此時(shí)寄生貼片的狀態(tài)為D；當寄生貼片上的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，寄生貼片對于天線(xiàn)的輻射波束方向幾乎沒(méi)有影響，我們稱(chēng)此時(shí)寄生貼片的狀態(tài)為N，所以此天線(xiàn)至少有著(zhù)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，作為引向器，而右邊寄生貼片上的開(kāi)關(guān)閉合，天線(xiàn)的方向圖向左邊(Y軸負向)偏轉；模式ND與模式DN相反，指右邊寄生貼片上的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，作為引向器，而左邊寄生貼片上的開(kāi)關(guān)閉合，天線(xiàn)的方向圖向右邊(Y軸正向)偏轉；模式NN是指左右兩邊的寄生貼片上的開(kāi)關(guān)都閉合，此時(shí)天線(xiàn)的波束方向是向貼片正上方輻射的。

(a)天線(xiàn)的整體結構

(b)天線(xiàn)寄生元的具體結構

圖1天線(xiàn)的結構圖

3仿真結果

圖2是在這三種模式下的|S11|參數曲線(xiàn)。通過(guò)圖2可以發(fā)現，在這三種模式下天線(xiàn)的諧振頻率都在10.9GHz附近。當|S11|小于-10dB時(shí)，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(jìn)行仿真模擬時(shí)，為了仿真方便，并沒(méi)有采用真實(shí)的開(kāi)關(guān)模型，而是使用了理想的金屬貼片來(lái)代替開(kāi)關(guān)，在矩形縫隙中間增加金屬貼片表示開(kāi)關(guān)閉合，沒(méi)有金屬貼片則表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

圖2三種模式下的S參數

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(shí)這三種模式下YOZ面的增益方向圖，在模式DN時(shí)，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(shí)，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(shí)，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結論

本文提出了一種由三個(gè)三角形貼片結構的方向圖可重構微帶八木天線(xiàn)，通過(guò)改變寄生貼片上的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以令天線(xiàn)工作在三種不同的模式，當頻率為10.9GHz時(shí)，可以實(shí)現波束輻射方向在上半空間從-56°到+60°范圍的掃描。當天線(xiàn)的輻射波束分別向兩側偏轉時(shí)，即在模式DN和模式ND時(shí)，最大增益比不偏轉時(shí)(模式NN)大1.5dBi左右，說(shuō)明天線(xiàn)在重構方向圖的同時(shí)對輻射能量也有一定的匯聚作用。