一種同頻方向圖可重構平面折合偶極子微帶天線

2021-01-08 電子產品世界
1引言

可重構天線技術作為一種新的天線技術，並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，以適應不同的電磁環境和功能需要。方向圖可重構天線可以通過重構天線的方向圖特性，避免噪聲幹擾，提高系統的增益和安全性能，同時定向輻射也可以節約能量。

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。通過改變寄生元件的長度實現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採用的方式。在同一副天線上實現全向和定向方向圖的可重構天線較少，實現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，可以根據實現通信環境的需要實時的選擇合適的輻射方向圖，從而提高系統性能。

2天線設計與分析

天線結構如圖1所示，天線由兩個關於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臂，用於天線工作在全向輻射方向圖時調節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作用，輻射方向圖為定向的時候不起調節作用。開關狀態與輻射方向的對應關係如表1所示。

表1開關狀態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。由於本文中的折合偶極子的橫向長度L1較大，所以豎直長度L2不等於二分之一工作波長，在介電常數和工作頻率一定的情況下，根據折合偶極子的總長為一個工作波長，L1和L2之間的關係為：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：

（2）

式(2)中的為介質板的相對介電常數。

圖1天線結構示意圖


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