一种新型的宽带方向图可重构天线

作者/ 徐超龙 邓星成 西安电子科技大学(陕西 西安 710071)

摘要：本文介绍了一款新颖的PRA(Pattern Reconfigurable Antenna)。天线辐射单元主要由三部分组成：包括矩形驱动贴片，两个对称的开了CRS(Cross Ring Slot)的半圆形寄生单元以及地平面。两组p-i-n二极管分别放置在十字形环缝隙上，通过这两组p-i-n二极管电开关将它们连接起来，从而可以实现辐射方向图可调。仿真结果表明，天线在4.29GHz~4.87GHz频率范围内S11<-10dB，阻抗带宽大于500MHz，具备良好的宽带特性。并且具有三种辐射方向图，可以通过p-i-n二极管电开关灵活控制，实现方向图可重构特性。

引言

进入21世纪以来，随着现代科学技术的发展，无线通信系统对天线要求越来越高。近年来，天线设计朝着大容量、多功能、宽带宽和小型化方向发展，其一为了满足新时期实际应用需求，其二为了降低产品成本。由于通信系统实际尺寸越做越小，为了能够实现大容量、多功能和宽带宽功能，需要考虑减少系统中天线数量，但同时又要兼顾多个天线性能，因此需要考虑可重构天线^[1-2]。

可重构天线是一个天线或天线阵，通过在天线的适当位置加载一些开关或机械装置，来达到动态改变天线谐振长度或物理结构等，从而使其具有多个天线所拥有的功能。可重构天线依据实现的功能不同可分为四类：频率可重构、方向图可重构、极化可重构和多种特性混合可重构。

本文首先介绍PRA(Pattern Reconfigurable Antenna)的应用背景及最近的一些研究成果，然后提出自己的设计思想，从而设计出具有新颖结构的PRA。在设计中，利用HFSS(High Frequency Structure Simulator)软件对天线进行仿真，为了能够实现所需功能，对天线结构尺寸进行了仿真优化比较，并对天线辐射方向图有较大影响的参数进行了详细分析，然后结合仿真结果进行分析总结。

1 方向图可重构原理分析

方向图可重构就是在保证极化方式和工作频率几乎不变的情况下，通过在天线结构的适当位置加载p-i-n二极管或微机电开关，来控制地平面或寄生单元电流分布，从而实现方向图可重构。依据寄生原理，要实现方向图可重构，就要改变寄生单元的电流分布。一般情况下，驱动单元与馈线直接相连，寄生单元的电流主要依靠驱动单元感应产生。

S. Zhang、G.H.Huff、J.Feng等人在文献[3]中提出了一款线极化方向图可重构寄生阵列天线。天线包括三个平行微带线，并在其两边的寄生单元上分别对称加载了两个开关，为了实现方向图可重构，需要控制两寄生单元上电开关的开与关状态。可以通过控制寄生单元上电开关的状态，来实现辐射方向图可重构。Jian Ren、Xi Yang、Jia yuan Yin等人在文献[4]中提出了另一款新型结构PRA。天线由三部分组成：偶极子贴片、巴伦结构和一系列H型结构单元。H型结构单元均分等距放置在偶极子贴片的两边，两边分别用二极管相连接，通过切换p-i-n二极管的工作状态，实现不同的辐射方向图。W.S.Kang、J.A.Park和Y.J.Yoon在文献[5]中提出了一款结构新颖的天线，该天线是单极子天线和具有反射功能对称偶极子天线的混合体，通过切换开关，使所设计的天线在这两类天线之间进行切换来实现波束形状发生改变。当所有开关都断开时，天线为单极子天线，此时辐射方向图是全向的;当所有开关都导通时，天线为具有反射功能的偶极子天线。

2 PRA设计

为了增加天线阻抗带宽，采用平面多模谐振技术，在矩形驱动贴片的两非辐射边对称加载两个相同的半圆形寄生单元，在半圆形寄生单元上开两个对称的十字形环缝隙CRS(Cross Ring Slot )，依据八木-宇田天线原理，分别在CRS每组缝隙的四个方向加载开关，通过控制这两组开关工作状态来实现辐射方向图重构。

1. PRA结构

本章所提出的PRA结构建模如图1所示。

从图1中可以看出，辐射贴片由矩形驱动贴片、两个半圆形寄生单元(分别开有CRS)两部分组成。矩形驱动贴片和两半圆形寄生单元放置在Teflon介质板上，其介质板的介电常数为3.6，损耗角正切为0.005，介质板的厚度为2mm，驱动贴片的尺寸为L×W，为了能够增加谐振点，两半圆形(半径为R2)寄生单元分别等距D1放置在驱动贴片非辐射两边。为了能够加载开关，在两个寄生单元上对称开两个相同的CRS，其缝隙宽度为SL_W，CRS四个方向尺寸一致。并在每组缝隙的四个方向上分别加载1个p-i-n二极管，二极管模型如图1中环缝隙中的小方块所示。p-i-n二极管型号为BAR64-02V，通过直流偏置网络控制二极管在开与关两种状态下切换，根据p-i-n二极管的datasheet，在这两种状态(导通与截止)下，其等效电路模型如图2所示。

2. PR