頻率方向圖復合可重構寄生單極子天線陣列

孫佳文 陳文華 馮正和 趙凱南

(清華大學電子系，北京 100084)

1.引 言

無線通訊系統的迅猛發展以及移動用戶的快速增長，迫切需要在目前移動通信系統頻譜劃分的基礎上能夠開發出一種更加有效的通訊網絡來增加整個系統的容量。目前通訊系統需要解決許多難點問題，例如多徑衰落、電磁兼容以及頻率復用等問題。開關寄生天線能夠實現頻率、方向圖及極化的可重構，因而可以很好地解決上述問題。

與經典的自適應天線不同，開關可重構天線僅需一個射頻通道就可以提供多個方向圖，并且在射頻通道上不需要射頻開關或者移相器，天線成本較低且非常穩定比有源天線陣列更適合于無線通信[1-7]。國內的研究主要集中于平面微帶天線的可重構[11-13]。目前，相關的設計人員主要研究設計頻率、極化及方向圖可重構中的一種類型[6-10]，而如何實現天線復合可重構的研究相對較少[14-15]，主要是由于復合可重構通常需要設計復雜的結構并且天線的復合性能很難實現。

作者早期提出了一種方向圖可重構的介質支撐型開關寄生陣列天線[16]，通過引入介質支撐型結構不僅減小了天線陣列的尺寸且對天線增益的影響較小，同時增強了天線陣列結構性能的穩定性，并設計了對應的控制電路實現了波束掃描。

在以上研究基礎上，通過在中心有源天線單元上引入開關結構，并在以中心有源單元為圓心的不同半徑的圓周上對稱地引入不同長度的寄生天線單元，提出了一種新型的頻率及方向圖復合可重構寄生單極子陣列天線。陣列天線的中心單元通過開關切換改變長度，實現了寄生陣列天線的頻率可重構；對于不同的工作頻率，選擇對應的一組寄生單極子單元所接對地開關順序導通，就可以實現陣列天線的波束掃描，實現方向圖的可重構。此外，通過在中心天線單元旁邊引入地支結構，實現了分布式加載，改善了天線的阻抗匹配，拓寬了工作帶寬。文中設計了移動通信頻段的復合可重構天線，利用HFSS軟件進行了電性能分析，并制作了實驗模型，其中模型中的開關導通時暫用金屬帶代替，斷開時就什么都不加。計算和實驗結果表明：天線陣列可以在保證回波損耗小于 -10 dB的情況下覆蓋DCS(1710～1880 MHz)、PCS(1850～1990 MHz)及WLANs(2400～2480 MHz)三個移動通信頻段，并可以方便地實現頻率切換及方向圖掃描。

2.開關寄生陣列天線理論分析

圖1所示為一種典型的三單元開關寄生陣列天線，由三個單極子天線組成，其中中間單元為有源單元，兩側的天線單元通過單刀雙擲開關與地連接。當兩側的天線單元一個短路，一個開路，就可以得到單向輻射的方向圖，利用單刀雙擲開關切換就可實現方向圖的180度波束切換。

圖1 三單元開關寄生陣列天線

對于N單元的寄生陣列天線，其陣列方程可表述為下式

(1)

(2)

而此類天線的工作頻率主要取決于中心有源單元的長度，因此，基于上述理論，提出了新型的介質支撐型頻率方向圖復合可重構寄生單極子陣列天線。

3.陣列天線結構

圖2給出了一個頻率方向圖復合可重構寄生單極子天線陣列的仿真模型，它由中心的有源單極子單元和兩組長度的12個對稱分布的寄生單極子單元構成。有源單極子單元從圓形地面的中心饋電，在其中間加一個開關用來實現頻率的可重構，而兩組寄生單元分別對應不同的工作頻率，都通過末端的開關接地。頻率切換就可以通過控制中心單元開關的狀態來實現。而方向圖可重構可以通過選定與工作頻率對應的一組寄生單元的開關通斷來實現。

整個天線陣列的結構可以看成是由三片介質支撐板構成，其結構圖和具體尺寸如圖3所示。所有線結構，介質板的厚度為0.8 mm，背面不覆銅，相對介電常數為2.65.

圖2 復合可重構天線陣列仿真模型

(a)

(b)圖3 介質支撐天線陣列單片的結構圖(單位：cm)

單極子單元均是印制在介質板上的單面的平面微帶開關寄生天線陣列的輻射機理類似于經典的Yagi-Uda 天線。在我們設計的開關寄生天線陣列中，有源單元和寄生單元間的耦合作用使得通過開關短路的寄生單極子單元對中心有源單元起到了反射器的作用，而對地開路的開關寄生單元幾乎對天線陣列的性能沒有任何影響。由于寄生單極子單元通過開關對地不是短路就是開路，并且短路的時候起反射器的作用而開路則沒有影響，在方向圖可重構過程中只需要考慮對地短路的寄生單元。

頻率方向圖復合可重構天線的工作機理如下：

開關P0的通斷控制頻率的可重構，當P0導通時，中心有源單元的長度變長，天線工作在較低的頻率；而反之，當P0斷開時，天線工作在較高的頻率。P0的位置決定了高低頻率的比值；

當開關P0斷開時，天線工作在較高頻率，保持外圍所有開關P2斷開，通過控制內圍開關P1的通斷就可以實現高頻率的方向圖可重構；

當開關P0導通時，天線工作在較低頻率，保持內圍所有開關P1斷開，通過控制外圍開關P2的通斷就可以實現低頻率的方向圖可重構。

為了更好地改善天線的輻射性能及縮小尺寸，有源單元和寄生單元之間的距離通過軟件優化到比通常四分之一波長更短的間距。文章中所引入的地支結構，能適度地改善陣列天線的阻抗匹配，提高工作帶寬，具體見圖4。通過地支長度的掃描可以發現，當地支長度為20 mm附近時，天線可以取得最佳的阻抗匹配。

(a) 天線反射系數隨地支高度的變化

(b) 地支對天線反射系數的影響圖4 天線阻抗匹配與地支的關系

3.天線系統的實驗性能分析

基于上述的分析，我們設計制作頻率方向圖復合可重構寄生單極子天線陣列的實驗模型。由于天線整體的開關較多，如果加上實際開關及控制電路，天線系統相對過于復雜，這里我們用金屬帶來代替理想開關導通，實驗模型如圖5所示。

圖5 天線陣列的實驗模型

圖6 測量的反射系數

圓形地面的半徑為4.5 cm，厚度0.8 mm，地支高度選取21 mm。圖6給出了頻率可重構狀態下所測量的回波損耗。圖中狀態1和狀態2分別代表開關P0的導通和斷開，即頻率可重構的低頻高頻切換。從測量結果可以看出，在保證S11<-10 dB的條件下，對于低工作頻率(狀態1)，該天線的阻抗帶寬為300 MHz(1.72～2.02 GHz)，滿足了移動通信的DCS和PCS頻段要求。對于高工作頻率，該天線的阻抗帶寬達到了400 MHz(2.27～2.67 GHz)，滿足了WLANs頻段及其他的通信要求。

圖7和圖8分別給出了在中心頻率1.85 GHz和2.45 GHz處該天線陣列所測量的E面(theta=0°)和H面(開關導通所對應的phi角度)方向圖。由于天線的寄生單元都是繞圓心對稱分布的，其每個寄生單元接地所對應的方向圖也是對稱分布的，因此，圖中僅給出不同頻率切換時相鄰兩個開關分別導通時所測量的方向圖(1.85 GHz對應開關P2和P21分別導通，而2.45 GHz對應開關P1和P11分別導通，開關編號見圖2)。測量表明：天線陣列可以在兩個頻段下良好地實現方向圖的可重構即波束掃描。

圖7 1.85 GHz E面和H面的波束掃描方向圖

圖8 2.45 GHz E面和H面的波束掃描方向圖

5.結 論

提出并實驗驗證了一個新穎的介質支撐型頻率方向圖復合可重構單極子開關寄生陣列天線。天線陣列可以在頻率切換的基礎上實現波束掃描。所引入的地支結構有效地改善了阻抗匹配，展寬了頻帶寬度。天線可以覆蓋多個移動通信頻段，具有很大的應用前途。

[1] THIEL D V, SMITH S. Switched Parasitic Antennas for Cellular Communications[M]. London:Artech House, 2001.

[2] GRAY D, LU J, THIEL D V. Electronically steerable yagi-uda microstrip patch antenna array [J]. IEEE Trans. Antennas Propagat.,1998,46(5):605-608.

[3] PRESTON S L, THIEL D V, SMITH T A, et al. Base-station tracking in mobile communications using a switched parasitic antenna[J]. IEEE Trans. Antennas Propagat.,1998,46(6): 841-844.

[4]SCOTT N L, LEONARD -TAYLOR M O, VAUGHAN R G .Diversity gain from a single-port adaptive antenna using switched parasitic elements illustrated with a wire and monopole prototype[J]. IEEE Trans. Antennas Propagat., 1999,47(6):1066-1070.

[5] THIEL D V. Switched parasitic antennas and controlled reactance parasitic antennas: A systems comparison[C]//IEEE Symposium on Antennas and Propagation, 2005 June, 3211-3214.

[6]KAWAKAMI, OHIRA T. Electronically steerable passive array radiator (ESPAR) antenna [J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2005, 47(2):43-49.

[7] CHEN Fanglu, CHEN Wenhua, YANG Li, et al. A Novel Switched-Sector Planar Antenna Using Parasitic Elements[C]// IEEE Symposium on Antennas and Propagation, June 2004:.855-857.

[8] LU Junwei, IRELAND D, SCHLUB R. Dielectric embedded ESPAR (DE-ESPAR) antenna array for wireless communications[J]. IEEE Trans. Antennas and Propagat., 2005,53(8):2437-2443.

[9] LIM S, LING H. Design of electrically small, pattern reconfigurable Yagi antenna[J]. ELECTRONICS LETTERS, 2 2007, 43(24): 1326-1327.

[10]WAHID P F, ALI M A, JR DELOACH B C. A reconfigurable Yagi antenna for wireless communications[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2003, 38(2):140-141.

[11] 肖紹球,王秉中.微帶可重構天線的初步探討[J].電波科學學報,2002,17(4):385-390.

XIAO Shaoqiu, WANG Bingzhong. Preliminary research on microstrip reconfigurable antenna[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2002, 17(4):385-390. (in Chinese)

[12] 王安國，張佳杰，王鵬，等.可重構天線的研究現狀與發展趨勢[J].電波科學學報，2008，23(5):997-1002

WANG Anguo, ZHANG Jiajie, WANG Peng, et al. Recent research and developing trends of reconfigurable antennas[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(5):997-1002. (in Chinese)

[13] 魏文博，高艷麗，張洪濤，等. 饋電相位可調極化可重構微帶貼片天線[J].電波科學學報，2009，24(4):687-690.

WEI Wenbo , GAO Yanli , ZHANG Hongtao ,et al. A polarization-reconfigurable microstrip patch antenna with tunable feeding phase[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(4):687-690. (in Chinese)

[14] PaNAGAMUWA C J, CHAURAYA A, VARDAXOGLOU J C. Frequency and beam reconfigurable antenna using photoconducting switches[J]. IEEE Trans. Antennas Propagat., 2006,54(2)449-454.

[15] JIN N, YANG F, RAHMET-SAMII Y. A Novel Patch Antenna With Switchable Slot (PASS): Dual Frequency Operation With Reversed Circular Polarisations[J]. IEEE Trans. Antennas Propagat., 2007,54(3):1031-1034.

[16] 孫佳文，陳文華，馮正和. 介質支撐型單極子開關寄生陣列天線設計[J].電波科學學報，2010，25(2):209-215.

SUN Jiawen, CHEN Wenhua , FENG Zhenghe . Design of dielectric-supported switched parasitic antenna array for mobile wireless communications[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2010, 25(2):209-215. (in Chinese)