汪圣杰，顾涓涓，胡国华

(合肥学院 电子信息与电气工程工程系，合肥　230601)



方向图可重构的平面准八木天线的设计与实现

汪圣杰，顾涓涓，胡国华

(合肥学院 电子信息与电气工程工程系，合肥230601)

摘要：通信系统的快速发展对天线的性能提出了更高的要求，方向图可重构天线是天线家族中重要组成部分之一，应用十分广泛。文中利用HFSS软件对方向图可重构的平面准八木天线进行了设计与实现，天线结构基于传统的偶极子天线以及八木天线并采用差分馈电，主天线振子置于介质板的两侧，在地板一侧的振子臂通过PIN二极管开关与地板相连，馈电一侧的阵子臂通过PIN二极管开关与馈电相连。通过组合控制二极管的开关状态即可控制天线单元的工作状态从而实现天线方向图可重构的目的。结果表明天线的回波损耗在中心频点出达到-25dB,-10dB带宽为约为400MHz，相对带宽为13%，天线在主辐射方向的增益达到约4.5dB，该天线能够实现4个方向的扫描，具有良好的方向性。

关键词：方向图可重构；平面微带天线；差分馈电；HFSS

0引言

天线作为无线通信系统的一个必要组成部分，负责对无线信号进行传输与接收。其性能影响着整个无线通信系统的性能。当今无线通信技术的发展对天线的性能提出了更高的要求，而可重构天线有着越来越广泛的需求。它将不同的天线功能集成在一副天线上实现，从而有效提高通信系统的性能。方向图可重构天线应用于需要改变信号接收方向的场合，如移动目标的搜索、跟踪等。该类天线可以有效提高系统的安全性，避免噪声干扰，有效抑制多径效应。[1]基于此类天线的诸多优点，本文对该类天线进行了研究与设计。为了达到天线方向图可重构的目的[2-3]，开关是实现方向图可重构天线必不可少的部件，它的原理是通过切换开关的状态从而控制天线中不同天线振子工作，从而改变天线方向图的指向达到方向图可重构的目的。

本设计中天线结构基于传统的偶极子天线[4-5]为和八木天线[6]，并将其结构从传统的立体结构转化为平面结构，从而设计成为平面准八木天线结构形式。八木天线具有高增益的特点，在此基础上设计了一副4个方向波束可调且具有增益约为4.3dB的方向图可重构天线。利用差分馈电的原理[7]，将主辐射振子置于介质板两侧，天线结构得到简化。其处理如下：在地板一侧的振子臂通过PIN二极管开关与地板相连，馈电一侧的阵子臂通过PIN二极管开关与馈电相连。这样省去了给天线振子馈电的巴伦结构同时通过组合控制开关的通断状态可实现天线方向图可重构的目的。

1天线设计及结构

(a)天线总体3D图

(b)天线正面图　　　　　　(c)天线背面

2天线结果及分析

天线所用的介质基板为FR4板材，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4。所有的天线参数都是在HFSSv13软件中进行优化得到。优化后的天线参数如表1所示。

表1　优化后的天线结构参数

图2给出了不同开关组合通断状态时的天线的回波损耗图。从图中可以看出天线在四种开关通断状态下在2.39～2.71GHz频段内天线都达到了良好匹配，相对带宽达到13%。

图2　开关组合通断下天线的S11

图3 开关1和5接通时在2.4GHz天线3D图图4 开关1和5接通时在2.4GHz天线在y-z面的辐射方向图

图5 开关2和6接通时在2.4GHz天线3D图图6 开关2和6接通时在2.4GHz天线在x-z面的辐射方向图

图7 开关3和7接通时在2.4GHz天线3D图图8 开关3和7接通时在2.4GHz天线在y-z面的辐射方向图

图9 开关4和8接通时在2.4GHz天线3D图图10 开关4和8接通时在2.4GHz天线在x-z面的辐射方向图

图11 天线地未开槽地中电流密度图12 天线地开槽地中电流密度

图13 天线增益对比

图14 方向图可重构天线的实物图

3结论

本文中给出了一款方向图可重构的平面微带天线的设计与实现。同时给出了天线的性能结果，结果表明天线在2.39～2.71GHz频段内达到了良好匹配，并具有较高增益，通过组合控制开关状态，天线的辐射方向图也随之改变，实现了天线方向图可重构目的，该天线能够满足无线通信系统的需求。

参考文献：

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[8]郭辉萍，刘学观.电磁场与电磁波[M].西安: 西安电子科技大学出版社,2010: 26-31.

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[责任编辑:李军]

Design and Implementation of Radiation Pattern Reconfigurable Planar Microstrip Antenna

WANG Sheng-jie,GU Juan-juan,HU Guo-hua

(Department of Electronic Information and Engineering,Hefei University,Hefei 230601, China)

Abstract:The development of wireless communication system has raise higher demand on the performance of antenna,the radiation pattern reconfigurable antenna is widely needed in wireless communication system.In this paper the radiation pattern reconfigurable microstrip antenna has been designed and realized.This structure is based on traditional dipole antenna and Yagi antenna.According to differential feeding theory,the two arms which consist of the driven dipole are loaded on each side of substrate.A PIN diode switch is loaded between the ground and each driven dipole arm a PIN diode switch is loaded between the feed and the other driven dipole arm.The antenna radiation pattern can be reconfigurable by combination controlling the diode switch state.The result shows that the return loss is -25dB at center frequency.-10dB bandwidth is about 320MHz,relative bandwidth is about 13%.The maximum gain at main radiation direction reaches 3dB.This reconfigurable antenna has good directivity with the scanning function of eight direction and can be applied in wireless communication system.

Key words:radiation pattern reconfigurable;planar microstrip antenna; differential feeding; HFSS

中图分类号：TN827+.1

文献标识码：A

文章编号：1673-162X(2016)01-0070-05

作者简介：汪圣杰(1989—)，男，安徽安庆人，合肥学院电子信息与电气工程系助教，硕士，研究方向：电磁场与电磁波、微波技术、天线，嵌入式等；顾涓涓(1964—)，女，江苏南京人，合肥学院电子信息与电气工程系教授，研究方向：高频电子线路及微波技术；胡国华(1978—)，男，安徽安庆人，合肥学院电子信息与电气工程系副教授，安徽大学计算机科学与技术学院2012级博士研究生，研究方向：信号与信息处理。

基金项目：安徽省高等学校省级质量工程项目(2015sxzx018、2015ckjh062)，安徽省教育厅自然科学基金重点项目(KJ2015A164)基金资助。

收稿日期：2015-10-21修回日期：2015-12-25