三角形貼片的方向圖可重構天線

1引言

可重構天線的概念最早是在1983年的專利“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和方向圖可重構天線。頻率可重構天線可以改變工作頻率，而使方向圖基本保持不變；方向圖可重構天線則可以重構輻射方向圖，而保持頻率穩(wěn)定,從而一個天線具有了多個天線的功能。將方向圖可重構天線運用于天線陣列時，可以通過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方向而提供更高的陣列增益；也可以將其運用于無線通信系統(tǒng)，通過改變波束方向，使信號對準需要通信的用戶，或避開干擾源等，從而提高信號質量。因此可重構天線仍然是目前天線領域的研究熱點。

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

2天線的設計

天線的結構如圖1所示，三角形貼片的可重構八木天線的陣元由三個三角形貼片順向放置在同一條直線上構成。中間稍大一些的三角形貼片作為激勵元，通過同軸探針饋電，兩個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。在兩個寄生元貼片上的相同位置都蝕刻了一個矩形縫隙，并在矩形縫隙的中間安裝了一個開關?？梢酝ㄟ^改變開關的狀態(tài)來改變寄生貼片上表面電流的分布，最終實現(xiàn)天線輻射方向圖的重構。

天線的介質基片的尺寸為34×17mm，介質板的厚度取0.76mm，相對介電常數(shù)為2.94。三角形貼片的邊長分別為10mm和8mm，寄生貼片上所蝕刻的矩形縫隙的尺寸為5.0×0.4mm，開關的尺寸為0.4×0.4mm，矩形縫隙與三角形頂點之間的距離b=4.9647mm。

在三角形的寄生貼片上蝕刻一個矩形槽縫，可以起到切割貼片上的表面電流，進而改變貼片的表面電容和電感，使寄生貼片在輻射過程中起到不同的作用。經(jīng)HFSS仿真表明，在這個天線中，當寄生貼片上的開關斷開時，寄生貼片作為引向器，可以令天線的波束輻射方向朝寄生貼片所在的方向偏轉，我們稱此時寄生貼片的狀態(tài)為D；當寄生貼片上的開關閉合時，寄生貼片對于天線的輻射波束方向幾乎沒有影響，我們稱此時寄生貼片的狀態(tài)為N，所以此天線至少有著三種模式，模式DN,ND和NN。模式DN就是指左邊寄生貼片上的開關斷開，作為引向器，而右邊寄生貼片上的開關閉合，天線的方向圖向左邊(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關斷開，作為引向器，而左邊寄生貼片上的開關閉合，天線的方向圖向右邊(Y軸正向)偏轉；模式NN是指左右兩邊的寄生貼片上的開關都閉合，此時天線的波束方向是向貼片正上方輻射的。

(a)天線的整體結構

(b)天線寄生元的具體結構

圖1天線的結構圖

3仿真結果

圖2是在這三種模式下的|S11|參數(shù)曲線。通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，在這三種模式下天線的諧振頻率都在10.9GHz附近。當|S11|小于-10dB時，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軟件進行仿真模擬時，為了仿真方便，并沒有采用真實的開關模型，而是使用了理想的金屬貼片來代替開關，在矩形縫隙中間增加金屬貼片表示開關閉合，沒有金屬貼片則表示開關斷開。

圖2三種模式下的S參數(shù)

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時這三種模式下YOZ面的增益方向圖，在模式DN時，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，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，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三角形貼片結構的方向圖可重構微帶八木天線，通過改變寄生貼片上的開關狀態(tài)，可以令天線工作在三種不同的模式，當頻率為10.9GHz時，可以實現(xiàn)波束輻射方向在上半空間從-56°到+60°范圍的掃描。當天線的輻射波束分別向兩側偏轉時，即在模式DN和模式ND時，最大增益比不偏轉時(模式NN)大1.5dBi左右，說明天線在重構方向圖的同時對輻射能量也有一定的匯聚作用。