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)。天线辐射单元首要由三部分组成：包含矩形驱动贴片，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二极管别离放置在十字形环缝隙上，经过这两组p-i-n二极管电开关将它们连接起来，然后可以完成辐射方向图可调。仿真成果表明，天线在4.29GHz~4.87GHz频率范围内S11<-10dB，阻抗带宽大于500MHz，具有杰出的宽带特性。而且具有三种辐射方向图，可以经过p-i-n二极管电开关灵敏操控，完成方向图可重构特性。
导言
进入21世纪以来，跟着现代科学技能的开展，无线通讯体系对天线要求越来越高。近年来，天线规划朝着大容量、多功用、宽带宽和小型化方向开展，其一为了满意新时期实践运用需求，其二为了下降产品成本。因为通讯体系实践尺度越做越小，为了可以完成大容量、多功用和宽带宽功用，需求考虑削减体系中天线数量，但一起又要统筹多个天线功用，因而需求考虑可重构天线[1-2]。
可重构天线是一个天线或天线阵，经过在天线的恰当方位加载一些开关或机械设备，来到达动态改动天线谐振长度或物理结构等，然后使其具有多个天线所具有的功用。可重构天线依据完成的功用不同可分为四类：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。
本文首要介绍PRA(Pattern Reconfigurable Antenna)的运用布景及最近的一些研究成果，然后提出自己的规划思维，然后规划出具有新颖结构的PRA。在规划中，运用HFSS(High Frequency Structure Simulator)软件对天线进行仿真，为了可以完成所需功用，对天线结构尺度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剖析，然后结合仿真成果进行剖析总结。
1 方向图可重构原理剖析
方向图可重构就是在确保极化方法和作业频率简直不变的情况下，经过在天线结构的恰当方位加载p-i-n二极管或微机电开关，来操控地平面或寄生单元电流散布，然后完成方向图可重构。依据寄生原理，要完成方向图可重构，就要改动寄生单元的电流散布。一般情况下，驱动单元与馈线直接相连，寄生单元的电流首要依托驱动单元感应产生。
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。天线包含三个平行微带线，并在其两头的寄生单元上别离对称加载了两个开关，为了完成方向图可重构，需求操控两寄生单元上电开关的开与关状况。可以经过操控寄生单元上电开关的状况，来完成辐射方向图可重构。Jian Ren、Xi Yang、Jia yuan Yin等人在文献[4]中提出了另一款新式结构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头，两头别离用二极管相连接，经过切换p-i-n二极管的作业状况，完成不同的辐射方向图。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用对称偶极子天线的混合体，经过切换开关，使所规划的天线在这两类天线之间进行切换来完成波束形状产生改动。当一切开关都断开时，天线为单极子天线，此刻辐射方向图是全向的;当一切开关都导通时，天线为具有反射功用的偶极子天线。
2 PRA规划
为了添加天线阻抗带宽，选用平面多模谐振技能，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，别离在CRS每组缝隙的四个方向加载开关，经过操控这两组开关作业状况来完成辐射方向图重构。
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(别离开有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，驱动贴片的尺度为L×W，为了可以添加谐振点，两半圆形(半径为R2)寄生单元别离等距D1放置在驱动贴片非辐射两头。为了可以加载开关，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四个方向尺度共同。并在每组缝隙的四个方向上别离加载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，经过直流偏置网络操控二极管在开与关两种状况下切换，依据p-i-n二极管的datasheet，在这两种状况(导通与截止)下，其等效电路模型如图2所示。
2. PRA剖析
当二极管截止时，可以看作是一个3kΩ电阻与0.17pF的小%&&&&&%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。当两组二极管的作业状况不一起，地辐射贴片平面显得不对称，然后使得天线结构不对称。因而，天线辐射方向图会产生改动，这儿(图1(a))咱们把+X方向的二极管导通，-X方向的二极管截止为状况A;把-X方向的二极管导通，+X方向的二极管截止为状况B;当两头的二极管都处于导通时为状况C。
中心矩形驱动贴片的长L首要由天线根本谐振频率确认，并依据以下公式可以求得：
(1)
这儿c表明光的速度，
表明介质的有用介电常数。为使天线具有宽带特性，咱们引入了平面耦合谐振技能，在驱动贴片的两非辐射边添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，咱们经过调理两半圆形半径R2和与驱动贴片的间隔D1使耦合谐振形式的谐振频率邻近根本谐振频率，然后展宽天线的阻抗带宽。为了可以完成方向图重构，咱们经过外置电路操控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改动了寄生单元外表的电流散布，使得寄生单元的电长度缩短，依据八木-宇田天线作业原理，该寄生单元相对驱动贴片变成引向器。天线选用同轴馈电且运用HFSS软件对天线进行建模并仿真优化，优化后天线结构各尺度参数值如表1所示。
3 天线仿真成果与剖析
1. 三种状况下天线反射系数
在这三种状况(A、B、C)下，天线的反射系数如图3所示。
从图3中可以看出，在这三种状况下，天线具有很宽的阻抗带宽，其阻抗带宽(S11<-10dB)为500MHz以上。这是因为引入了平面耦合谐振技能，在天线的阻抗带宽内呈现了多谐振零点。当二极管处于A和B两种作业状况时，天线反射系数曲线十分类似，天线阻抗带宽(S11<-10dB)约为4.23GHz~4.87GHz;当二极管处于C作业状况时，天线阻抗带宽(S11<-10dB)为4.29GHz~4.90GHz，比较A和B两种作业状况，谐振频率上升了，这或许因为地平面上两组二极管导通，使得半圆形寄生单元上电流途径变短，因为提高了天线的谐振频率。因而，本文规划的PRA在4.29GHz~4.87GHz范围内S11<-10dB，阻抗带宽大于500MHz。
2. 三种状况下天线辐射方向图
经过外置直流偏置电路来操控地平面上两组二极管的作业状况，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作业频率下，其三种状况下的辐射方向图如图4所示。
当两组二极管处于A状况时，此刻天线右边的CRS相当于一个引向器，而左面CRS被导通(不作业)，依据八木-宇田天线作业原理，天线辐射方向偏-X方向(图4(a));同理应两组二极管处于B状况时，天线辐射方向偏+X(图4(b));当两组二极管处于C状况时，天线辐射方向朝上(图4(c))。A和B两种状况下的交叉极化不是很好，这或许是两组二极管处于A和B两种状况下，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状况时，天线交叉极化很好，这或许跟天线结构对称有关。当两组二极管处于A状况时，天线最大增益为5.7dBi以上;当两组二极管处于B状况时，天线最大增益为5.6dBi以上;当两组二极管处于C状况时，天线最大增益为6.4dBi以上。与A和B两种状况比较，天线处于C状况时具有最大的辐射增益，这是因为在C状况下，两组二极管的作业状况坚持共同，使得天线结构坚持对称，且后瓣辐射很小。而在A和B状况下，因为两组二极管的作业状况不同，导致天线结构不对称，且有必定的能量朝后辐射，这样天线最大辐射增益将削减。
4 总结
本文PRA规划中，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。为了可以鼓励基模邻近的形式，规划中引入了平面耦合技能，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，经过调理两寄生单元和驱动贴片的间隔，以及两寄生单元的半径，然后完成天线的宽带功用。然后在寄生单元上开CRS，用二极管等开关连接起来，经过切换开关状况来完成方向图可重构。依据八木-宇田天线原理，经过操控这些二极管的作业状况，可以使CRS导通和截止，然后使引向器的方位可调，完成辐射方向图重构。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 to practice[M].A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, 2008.
[3]S. Zhang,G. H. Huff,J. Feng. A pattern reconfigurable microstrip parasitic array[J].Ieee transactions on antennas and propagation. 2004,52:2773-2776.
[4]Jian Ren,Xi Yang,Jiayuan Yin, et al.A novel antenna with reconfigurable patterns using H-Shaped structures[J].Ieee antennas and wireless propagation letters. 2015,14:915-918.
[5]W.S. Kang, J.A. Park and Y.J. Yoon. Simple reconfigurable antenna with radiation pattern[J]. Electronics letters. 2008,44.
[6]W.-L. Liu,T.-R. Chen,S.-H. Chen,et al. Reconfigurable microstrip antenna with pattern and polarisation diversities [J]. Electronics letters. 2007,43.
[7]S. Raman,P. Mohanan,Nick Timmons,et al.Microstrip-fed pattern- and polarization- reconfigurable compact truncated monopole antenna[J].Ieee antennas and wireless propagation letters. 2013,12:710-713.
本文来源于《电子产品世界》2017年第1期第48页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
