方向图可重构天线及其相控阵研究详细教程

1 引言

可重构天线的概念最早是在1983年的专利“FrequencyAgile， Polarization Diverse Microstrip Antennas and Frequency Scanned Arrays”中提出的。按照其重构功能，主要可分为频率可重构天线和方向图可重构天线。频率可重构天线可以改变工作频率，而使方向图基本保持不变；方向图可重构天线则可以重构辐射方向图，而保持频率稳定，从而一个天线具有了多个天线的功能。将方向图可重构天线运用于天线阵列时，可以通过改变单元的波束方向，使不同单元的波束方向都集中于某个方向而提供更高的阵列增益；也可以将其运用于无线通信系统，通过改变波束方向，使信号对准需要通信的用户，或避开干扰源等，从而提高信号质量。因此可重构天线仍然是目前天线领域的研究热点。

众所周知，八木天线有着很好的方向性，在测向和远距离通信方面有着良好的应用。微带贴片天线体积小，重量轻，剖面低，可以与载体共形，且制造简单成本低。将微带贴片与八木天线相结合，就可以构成微带矩形贴片八木天线和微带振子天线。在微带振子上安装开关，改变寄生振子的长度，构成了一种方向图可重构的微带八木天线。通过在微带贴片上进行槽加载，并引入开关，就构成了矩形贴片的可重构八木天线。三角形微带贴片天线与矩形微带贴片天线具有类似的场结构和谐振频率，但贴片的面积却相对较小，在实际应用中可以满足天线贴片小型化等某些特殊的性能要求。本文用三角形贴片作为八木天线单元，构成了一种方向图可重构天线。通过在寄生贴片上蚀刻简单的矩形槽，并安装开关，实现了天线辐射方向图朝三个不同方向偏转。与文献中提出的矩形贴片结构的八木天线相比，槽的结构更简单，且开关数量更少。

2 天线的设计

天线的结构如图1所示，三角形贴片的可重构八木天线的阵元由三个三角形贴片顺向放置在同一条直线上构成。中间稍大一些的三角形贴片作为激励元，通过同轴探针馈电，两个相同但尺寸较小的三角形贴片分别放置在两侧，作为寄生元。在两个寄生元贴片上的相同位置都蚀刻了一个矩形缝隙，并在矩形缝隙的中间安装了一个开关。可以通过改变开关的状态来改变寄生贴片上表面电流的分布，最终实现天线辐射方向图的重构。

天线的介质基片的尺寸为34×17mm，介质板的厚度取0.76mm，相对介电常数为2.94。三角形贴片的边长分别为10mm和8mm，寄生贴片上所蚀刻的矩形缝隙的尺寸为5.0×0.4mm，开关的尺寸为0.4×0.4mm，矩形缝隙与三角形顶点之间的距离b=4.9647mm。

在三角形的寄生贴片上蚀刻一个矩形槽缝，可以起到切割贴片上的表面电流，进而改变贴片的表面电容和电感，使寄生贴片在辐射过程中起到不同的作用。经HFSS仿真表明，在这个天线中，当寄生贴片上的开关断开时，寄生贴片作为引向器，可以令天线的波束辐射方向朝寄生贴片所在的方向偏转，我们称此时寄生贴片的状态为D；当寄生贴片上的开关闭合时，寄生贴片对于天线的辐射波束方向几乎没有影响，我们称此时寄生贴片的状态为N，所以此天线至少有着三种模式，模式DN，ND和NN。模式DN就是指左边寄生贴片上的开关断开，作为引向器，而右边寄生贴片上的开关闭合，天线的方向图向左边（Y轴负向）偏转；模式ND与模式DN相反，指右边寄生贴片上的开关断开，作为引向器，而左边寄生贴片上的开关闭合，天线的方向图向右边（Y轴正向）偏转；模式NN是指左右两边的寄生贴片上的开关都闭合，此时天线的波束方向是向贴片正上方辐射的。

（a）天线的整体结构

（b）天线寄生元的具体结构

图1 天线的结构图

3 仿真结果

图2是在这三种模式下的|S11|参数曲线。通过图2可以发现，在这三种模式下天线的谐振频率都在10.9GHz附近。当|S11|小于-10dB时，三种模式的公共频带从10.74GHz到11.0GHz，相对带宽约为2.4%。在使用HFSS软件进行仿真模拟时，为了仿真方便，并没有采用真实的开关模型，而是使用了理想的金属贴片来代替开关，在矩形缝隙中间增加金属贴片表示开关闭合，没有金属贴片则表示开关断开。

图2 三种模式下的S参数

图3 三种模式下的YOZ面的增益方向图

图3所示的是在频率为10.9GHz时这三种模式下YOZ面的增益方向图，在模式DN时，最大增益方向在-26°（+334°）方向上，最大增益为8.33dBi，3-dB波束覆盖俯仰角的扫描范围可以从-56°（+304°）到+5°；在模式ND时，最大增益方向在+34°方向上，最大增益为8.70dBi，扫描范围从+6°到+60°；在模式NN时，最大增益方向在+12°方向上，最大增益为6.88dBi，扫描范围从-30°（+330°）到+40°。

4 结论

本文提出了一种由三个三角形贴片结构的方向图可重构微带八木天线，通过改变寄生贴片上的开关状态，可以令天线工作在三种不同的模式，当频率为10.9GHz时，可以实现波束辐射方向在上半空间从-56°到+60°范围的扫描。当天线的辐射波束分别向两侧偏转时，即在模式DN和模式ND时，最大增益比不偏转时（模式NN）大1.5dBi左右，说明天线在重构方向图的同时对辐射能量也有一定的汇聚作用。