頻率和方向圖可重構天線設計*

趙虎辰，唐 濤，黃和平，張謝遜

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所 遙控遙測專業部，河北 石家莊 050081；2.西南民族大學 電子信息學院，四川 成都 610225；3.國家民委 電子信息工程重點實驗室，四川 成都 610041）

0 引言

近年來，隨著現代雷達和通信技術的不斷成熟，通信系統在小型化、多頻段、超頻段、大容量以及功能多樣化方面得到了迅猛發展。同樣的物理結構和尺寸，可重構天線賦予多個天線的功能，從而使一個天線或天線陣具備多個天線的能力。這種技術顯著降低了系統所需的天線數量，進而縮減了系統的成本、重量和體積，同時還顯著提高了系統的電磁兼容性。因此，可重構天線技術受到國內外的廣泛關注[1-6]。重構天線又稱為自組構天線，一般通過輻射單元表面電流或輻射口徑場的改變實現天線電性能的調整[7]。

可重構天線可按其功能分為頻率可重構、方向圖可重構、極化可重構和多電磁參數可重構等類型。通過改變其結構，可實現一種或多種參數（如工作頻率、輻射方向和極化方式）的可重構，從而切換天線工作狀態，獲得多種工作模式，有助于傳輸過程中實現多種有效的分集[8]。

加載二極管是實現天線頻率可重構的途徑之一，Han 等人設計了一種頻率可重構貼片天線[9]，通過在輻射貼片上開一個“U”形縫隙和兩個“L”形縫隙，并在縫隙中加載了3 個PIN 二極管，使天線能在3 個不同頻點間切換工作。Majid 等人設計了一種頻率可重構槽線天線[10]，通過調節加載槽上兩個變容二極管的控制電壓，來改變變容二極管工作狀態，可以使天線在1.98 GHz～3.41 GHz 的頻段內的8 個頻點上工作。

方向圖可重構通常是通過改變輻射貼片的面電流分布來實現的。Jung 等人設計了一款方向圖可重構天線[11]，通過切換貼片和饋線之間的縫隙上3 組開關的狀態，實現天線輻射方向的改變，天線最大輻射方向可以在θ=±30°和0°之間切換。關于頻率可重構和方向圖可重構的天線研究比較多，但是對同時實現頻率與方向圖可重構的天線的研究還不多[12]。

本文設計了一種能同時實現頻率與方向圖可重構的微帶天線。該微帶天線是基于單極子天線的變形結構[13-14]，天線由帶有倒“Ω”形縫隙的金屬地板和輻射貼片組成，分別印制在介質板的兩面，通過改變位于地板縫隙中心處的開關二極管的工作狀態，天線的有效長度和表面電流分布將會發生變化，實現天線工作頻率和方向圖的改變。

1 天線結構設計

天線由具有倒“Ω”形縫隙的金屬地板和輻射貼片組成，分別印制在介質板的正反兩面，位于地板上的縫隙中心處加載有一個PIN 二極管，通過改變其工作狀態，天線的局部結構和表面電流分布將會發生變化，實現天線工作頻率和方向圖的可重構。其中PIN 二極管采用M/A-COM 公司的MA4AGBLP912。在截止狀態下，該二極管呈現電容特性，電容典型值為28 fF，反向電阻為10 kΩ；在導通狀態下，該二極管呈現電阻特性，電阻典型值為4 Ω。極小的電容和較高的反向電阻確保該二極管處于截止狀態下的信號阻斷，而低導通電阻可以保證該二極管的導通損耗處于較低的水平。

通過調節PIN 二極管的導通或者截止，可以使天線工作于不同的狀態。根據數據手冊，該二極管兩端加載電壓為0 V 時，二極管截止；兩端加載電壓為5 V 時，二極管導通。因此，通過改變二極管兩端的偏壓可實現二極管工作狀態的切換。

天線介質板選用FR4 板材，其相對介電常數為4.4，損耗角正切值為0.02。天線整體結構如圖1 所示，其總體尺寸為62 mm×50 mm×0.8 mm，其各部位具體相關尺寸參數如表1 所示。

表1 天線尺寸參數 (mm)

圖1 天線結構圖

2 仿真與實測結果

2.1 仿真結果

將PIN 二極管設置為導通時，該天線的回波損耗（S11）如圖2（a）所示?？梢钥吹?，當二極管處于導通模式時，天線處于單頻工作模式，天線的諧振點在3 GHz左右，其工作頻帶寬度達到1 GHz，覆蓋了WIMAX 主要頻段，諧振深度大于25 dB。當二極管處于截止模式時，該天線的回波損耗（S11）如圖2（b）所示?？梢钥吹?，該天線諧振點在3 GHz 和5.8 GHz 左右，即工作在雙頻模式[15]，工作頻帶范圍覆蓋WIMAX 和WILAN 部分頻段，諧振深度均大于18 dB。

圖2 天線回波損耗

圖3 顯示了兩種工作模式時的天線輻射方向圖?？梢娞炀€方向圖在二極管導通的工作模式下，低頻處3 GHz 的增益為4.2 dBi；而在二極管截止時，天線低頻處3 GHz 的方向圖和增益幾乎和二極管導通時一致，但是在其高頻諧振點，即5.8 GHz 處，其主要輻射方向為+Z方向，且最大增益為1.65 dBi。

圖3 兩種工作模式方向圖

2.2 測試結果

天線加工樣品如圖1（c）所示，使用矢量網絡分析儀對其工作頻帶進行測試，另外使用信號源和頻譜儀以及標準偶極子，使用對比法可以測試天線的增益，測試結果和仿真結果對比如表2 所示，二極管使用直流電源供電。

表2 測試和仿真結果對比

從表2 可以看到，天線測試頻段比仿真頻段均稍微偏高，且頻帶寬度稍窄，測試增益比仿真增益低0.1～0.3 dBi，考慮到加工和測試誤差，測試結合和仿真結果基本一致。

3 頻率與方向圖可重構的實現

天線的輸入阻抗主要由饋電點和天線輻射單元表面電流的分布情況決定，而其遠場輻射模式則取決于天線上時變源的分布狀態。也即對于天線而言，其頻響特性和遠場輻射都是由天線表面電流分布決定的。因此，重構天線的任何一個參數都可能會影響天線的另一個性能參數。目前大多數頻率可重構天線都是基于各種改變天線輻射的物理長度或者加載可調器件（例如變容二極管）的方式來實現的。然而，這種方法會帶來天線尺寸過大、加工難度大等缺點。

而對于天線方向圖的可重構，由八木天線（Yagi-Uda）原理可知，通過在偶極子天線適當位置加載反射器、引向器，可以實現天線在某一方向具有較高增益，從而實現定向輻射[16-17]。然而實際設計中，反射器和引向器的尺寸、加載位置需要進行優化確認。反射器和引向器的應用也會帶來天線整體體積上升，這使得天線小型化難度增加。

如圖1 所示，本設計中，金屬地板開有倒“Ω”形縫隙結構，在縫隙中心對稱處放置PIN 二極管，通過改變二極管兩端的直流偏置電壓，可改變天線的有效諧振長度和電流分布，為方便分析，給出兩種工作模式下，天線輻射單元表面的電流密度分布如圖4 所示。

圖4 天線表面電流分布

圖4（a）可見，二極管導通時，金屬地板連接成為整體，高頻諧振點消失，產生的低頻諧振點與二極管斷開時相同。同時由于倒“Ω”形縫隙產生的“缺陷地”結構，故天線低頻段的帶寬得到有效拓寬[18]。圖4（b）為二極管截止時電流密度分布圖，此時天線分成上下兩部分，靠近饋源部分的金屬地板與頂部輻射貼片產生高頻諧振，上部通過縫隙耦合實現能量傳輸，整體形成低頻諧振。因此,天線存在著高頻諧振點和低頻諧振點的諧振組合。

該天線在二極管導通和截止條件下的重構特性可以進一步解釋為：根據等效電路諧振理論，天線的等效電感和等效電容與諧振頻點的關系:

當二極管截止時，天線接地板減小，對應等效電容的面積減小，等效電容減小，因此，帶來高頻諧振。另外，當二極管導通時，天線可以等效為兩個沿饋線對稱的半波長偶極子天線，偶極子天線的兩個臂為L5加上天線上部的半環結構的一半為50.485 mm，剛好約等于3 GHz 對應的半波長。根據天線臂上電流分布[19]:

4 結論

當二極管截止時，由于縫隙耦合，低頻點始終存在，但是此時天線上部靠近圓環處橫著的貼片上電流分布較大，產生輻射，該部分長度為28 mm，略大于5.8 GHz對應的半波長，由于饋電點位于兩側，因此兩側位置處z=0，有電流最大值，而中點電流最小，圖4（b）顯示的仿真結果也與理論相符。

如圖3（c）所示，此時由于地板不再是一個整體，對于5.8 GHz 而言，其輻射方向圖也不再是標準的全向輻射。

本文采用在地板縫隙處加載開關二極管的方式，提出了一款可改變頻率和方向圖的可重構天線。通過改變二極管的工作模式實現了單頻和雙頻工作模式的切換。當二極管導通時，該天線呈現單頻工作模式，其諧振頻點在3 GHz 處，覆蓋了WIMAX 主要頻段。當二極管截止時，該天線呈現雙頻工作模式其諧振點分別位于3 GHz 和5.8 GHz 處，且工作頻帶涵蓋WIMAX 和部分WILAN 頻段。天線采用單極子結構，并在地板加載“Ω”形縫隙，形成具有“缺陷地”結構，從而賦予天線顯著的寬帶特性。