一種同頻方向圖可重構平面折合偶極子微帶天線

1引言

可重構天線技術作為一種新的天線技術，并將成為下一代移動通信的核心技術，已經受到了國內外學都的廣泛關注。可重構天線共用一個輻射口徑，通過開關改變其輸入阻抗、工作頻率、雷達散射截面、輻射方向圖和極化方式等參數(shù)，以適應不同的電磁環(huán)境和功能需要。方向圖可重構天線可以通過重構天線的方向圖特性，避免噪聲干擾，提高系統(tǒng)的增益和安全性能，同時定向輻射也可以節(jié)約能量。

目前在可重構天線的研究中，頻率可重構天線的研究較多，技術也較成熟，而保持工作頻率不變的方向圖可重構天線的研究相對較少，設計難度也較大，但是其性能更優(yōu)。通過改變寄生元件的長度實現(xiàn)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常采用的方式。在同一副天線上實現(xiàn)全向和定向方向圖的可重構天線較少，實現(xiàn)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，通過改變開關狀態(tài)使天線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，實現(xiàn)同頻工作。在4GHz天線在定向輻射時的最高增益為6.7dBi,全向輻射時的最大增益為3.9dBi。該天線可以應用在不同的無線通信場合，可以根據(jù)實現(xiàn)通信環(huán)境的需要實時的選擇合適的輻射方向圖，從而提高系統(tǒng)性能。

2天線設計與分析

天線結構如圖1所示，天線由兩個關于XOZ面對稱的半波折合偶極子結構和“工”字形部分接地結構組成。對稱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具有小型化和寬頻帶的特點。

該天線結構重構的原理：當對兩個折合偶極子同時饋電時，輻射方向圖為全向，僅對一邊折合偶極了饋電時，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連接的臂中安裝了3個開關A、B、C。為了使天線在兩種工作狀態(tài)下能工作在同一頻段，且保持寬頻帶特性，在微帶饋線的一邊增加了一支調節(jié)臂，用于天線工作在全向輻射方向圖時調節(jié)天線的工作頻帶和帶寬，因此在此臂中安裝了開關D，當天線的輻射方向圖為全向的時候起調節(jié)作用，輻射方向圖為定向的時候不起調節(jié)作用。開關狀態(tài)與輻射方向的對應關系如表1所示。

表1開關狀態(tài)與輻射方向的對應表

天線設計以中心工作頻率f0=4GHZ進行設計，折合振子的線寬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度L1較大，所以豎直長度L2不等于二分之一工作波長，在介電常數(shù)和工作頻率一定的情況下，根據(jù)折合偶極子的總長為一個工作波長，L1和L2之間的關系為：L1+L2=20mm。部分接地結構中d1=11mm,約為四分之一波長。微帶饋線的特性阻抗設計為50Ω，對應的微帶線寬度Wg根據(jù)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(shù)：

（2）

式(2)中的為介質板的相對介電常數(shù)。

圖1天線結構示意圖