一种同频方向图可重构平面折合偶极子微带天线

1引言

可重构天线技术作为一种新的天线技术，并将成为下一代移动通信的核心技术，已经受到了国内外学都的广泛关注。可重构天线共用一个辐射口径，通过开关改变其输入阻抗、工作频率、雷达散射截面、辐射方向图和极化方式等参数，以适应不同的电磁环境和功能需要。方向图可重构天线可以通过重构天线的方向图特性，避免噪声干扰，提高系统的增益和安全性能，同时定向辐射也可以节约能量。

目前在可重构天线的研究中，频率可重构天线的研究较多，技术也较成熟，而保持工作频率不变的方向图可重构天线的研究相对较少，设计难度也较大，但是其性能更优。通过改变寄生元件的长度实现方向图可重构是目前方向图可重构的主要方法。保持波瓣形状基本不变，而主瓣角度改变是目前方向图可重构天线常采用的方式。在同一副天线上实现全向和定向方向图的可重构天线较少，实现同频工作的全向与定向方向图更少。

本文提出了一种同频方向图可重构平面折合偶极子微带天线，通过改变开关状态使天线的辐射方向图在全向与定向之间重构，工作频段保持在3.76～4.3GHz，实现同频工作。在4GHz天线在定向辐射时的最高增益为6.7dBi,全向辐射时的最大增益为3.9dBi。该天线可以应用在不同的无线通信场合，可以根据实现通信环境的需要实时的选择合适的辐射方向图，从而提高系统性能。

2天线设计与分析

天线结构如图1所示，天线由两个关于XOZ面对称的半波折合偶极子结构和“工”字形部分接地结构组成。对称的半波折合偶极子结构具有可重构的潜力，而“工”字形的部分接地结构使该天线具有小型化和宽频带的特点。

该天线结构重构的原理：当对两个折合偶极子同时馈电时，辐射方向图为全向，仅对一边折合偶极了馈电时，辐射方向图为定向。为了达到重构的目的，在折合偶极子与微带馈线连接的臂中安装了3个开关A、B、C。为了使天线在两种工作状态下能工作在同一频段，且保持宽频带特性，在微带馈线的一边增加了一支调节臂，用于天线工作在全向辐射方向图时调节天线的工作频带和带宽，因此在此臂中安装了开关D，当天线的辐射方向图为全向的时候起调节作用，辐射方向图为定向的时候不起调节作用。开关状态与辐射方向的对应关系如表1所示。

表1开关状态与辐射方向的对应表

天线设计以中心工作频率f0=4GHZ进行设计，折合振子的线宽t=1.5mm,间距s2=1mm，缝隙s3=0.5mm。由于本文中的折合偶极子的横向长度L1较大，所以竖直长度L2不等于二分之一工作波长，在介电常数和工作频率一定的情况下，根据折合偶极子的总长为一个工作波长，L1和L2之间的关系为：L1+L2=20mm。部分接地结构中d1=11mm,约为四分之一波长。微带馈线的特性阻抗设计为50Ω，对应的微带线宽度Wg根据公式(1)确定,计算得到Wg=2.2mm。

（1）

式(1)成立的条件为，式中为自由空间的波阻抗，为有效介电常数：

（2）

式(2)中的为介质板的相对介电常数。

图1天线结构示意图