一种新型的宽带方向图可重构天线

A分析

当二极管截止时，可以看作是一个3kΩ电阻与0.17pF的小电容的并联;当二极管导通时，可以看作是一个阻值很小的电阻，其值为2.1Ω。当两组二极管的工作状态不同时，地辐射贴片平面显得不对称，从而使得天线结构不对称。因此，天线辐射方向图会发生改变，这里(图1(a))我们把+X方向的二极管导通，-X方向的二极管截止为状态A;把-X方向的二极管导通，+X方向的二极管截止为状态B;当两边的二极管都处于导通时为状态C。

中间矩形驱动贴片的长L主要由天线基本谐振频率确定，并依据以下公式可以求得：

　(1)

这里c表示光的速度，表示介质的有效介电常数。为使天线具有宽带特性，我们引入了平面耦合谐振技术，在驱动贴片的两非辐射边增加了两个相同的寄生单元，为了使天线结构显得紧凑，两寄生单元的形状为半圆形。在仿真优化时，我们通过调节两半圆形半径R2和与驱动贴片的距离D1使耦合谐振模式的谐振频率邻近基本谐振频率，从而展宽天线的阻抗带宽。为了能够实现方向图重构，我们通过外置电路控制CRS上的二极管。当二极管导通时，CRS被导通，寄生单元平面相当于未开缝;当二极管截止时，CRS改变了寄生单元表面的电流分布，使得寄生单元的电长度缩短，根据八木-宇田天线工作原理，该寄生单元相对驱动贴片变成引向器。天线采用同轴馈电且使用HFSS软件对天线进行建模并仿真优化，优化后天线结构各尺寸参数值如表1所示。

3 天线仿真结果与分析

1. 三种状态下天线反射系数

在这三种状态(A、B、C)下，天线的反射系数如图3所示。

从图3中可以看出，在这三种状态下，天线具有很宽的阻抗带宽，其阻抗带宽(S11<-10dB)为500MHz以上。这是由于引入了平面耦合谐振技术，在天线的阻抗带宽内出现了多谐振零点。当二极管处于A和B两种工作状态时，天线反射系数曲线非常相似，天线阻抗带宽(S11<-10dB)约为4.23GHz~4.87GHz;当二极管处于C工作状态时，天线阻抗带宽(S11<-10dB)为4.29GHz~4.90GHz，相比A和B两种工作状态，谐振频率上升了，这可能由于地平面上两组二极管导通，使得半圆形寄生单元上电流路径变短，因为提高了天线的谐振频率。因此，本文设计的PRA在4.29GHz~4.87GHz范围内S11<-10dB，阻抗带宽大于500MHz。

2. 三种状态下天线辐射方向图

通过外置直流偏置电路来控制地平面上两组二极管的工作状态，天线具有三类辐射方向图：偏+X方向辐射、朝+Z轴向辐射和偏-X方向辐射。在4.6GHz工作频率下，其三种状态下的辐射方向图如图4所示。

当两组二极管处于A状态时，此时天线右边的CRS相当于一个引向器，而左边CRS被导通(不工作)，根据八木-宇田天线工作原理，天线辐射方向偏-X方向(图4(a));同理当两组二极管处于B状态时，天线辐射方向偏+X(图4(b));当两组二极管处于C状态时，天线辐射方向朝上(图4(c))。A和B两种状态下的交叉极化不是很好，这可能是两组二极管处于A和B两种状态下，导致辐射贴片平面结构不对称引起的。当两组二极管处于C状态时，天线交叉极化很好，这可能跟天线结构对称有关。当两组二极管处于A状态时，天线最大增益为5.7dBi以上;当两组二极管处于B状态时，天线最大增益为5.6dBi以上;当两组二极管处于C状态时，天线最大增益为6.4dBi以上。与A和B两种状态相比，天线处于C状态时具有最大的辐射增益，这是因为在C状态下，两组二极管的工作状态保持一致，使得天线结构保持对称，且后瓣辐射很小。而在A和B状态下，由于两组二极管的工作状态不同，导致天线结构不对称，且有一定的能量朝后辐射，这样天线最大辐射增益将减少。

4 总结

本文PRA设计中，天线具有很好的宽频带特性，即带宽相对谐振频率在10%以上。为了能够激励基模附近的模式，设计中引入了平面耦合技术，即在矩形驱动贴片的两非辐射边上对称加载两个相同的半圆，并在两半圆上开了两个相同的CRS，通过调节两寄生单元和驱动贴片的距离，以及两寄生单元的半径，从而实现天线的宽带性能。然后在寄生单元上开CRS，用二极管等开关连接起来，通过切换开关状态来实现方向图可重构。根据八木-宇田天线原理，通过控制这些二极管的工作状态，可以使CRS导通和截止，从而使引向器的位置可调，实现辐射方向图重构。天线结构新颖且具有很好的辐射特性。在三类辐射方向图重构的情况下，仿真得到的天线带宽在500MHz以上，是一种具有宽带特性的PRA。

参考文献:

[1]W.S.Kang, J.A.Park,Y.J.Yoon.Simple reconfigurable antenna with radiation pattern[J].Electron. Lett., 2008, 44(3):182-183.

[2]Yi Huang, Kevin Boyle. Antennas: from theory