（通信与信息系统专业论文）方向图可重构天线系统的设计与实现.pdf

方向图町重构天线系统的设计0 实现中文摘要 方向图可重构天线系统的设计与实现 中文摘要 近年来，随着无线通信技术的飞速发展，通信系统对天线性能的要求越来越高。 可重构天线可根据实际环境需求，实时重构其特性参数( 频率、方向图、极化方式等) ， 因此，逐渐成为当今天线领域的研究热点。本文针对方向图可重构天线系统，在现有 文献的基础上，对天线单元、天线阵列、馈电网络和控制电路进行了系统性的研究。 文中详细给出了系统中各部分的设计过程，最终制作出天线系统样品，并进行了整体 测试。实测结果表明，本文设计的方向图可重构天线系统在2 4 g h z - 2 4 8 g h z 频段可 以实现3 6 0 。全方位扫描。 本文共分为六个部分。 首先，阐述了可重构天线的研究现状，介绍了文中使用的电磁仿真软件，并归纳 总结了方向图可重构天线实现波束赋形的方法。 其次，分析并研究了天线阵元和开关电路。在文献中四元微带八木天线的基础上， 提出了一款三元微带八木天线，这款天线主要有缩小尺寸、减小后瓣电平及合适的波 瓣宽度等优点。通过天线单元及其加载开关电路之后的样品加工，对设计进行了验证。 然后，通过合理布局，用两种微带八木天线组成了六单元天线阵，并对天线阵和 馈电网络进行了仿真分析。仿真结果表明：天线阵的3 d b 波瓣宽度可达3 6 0 。 接着，本文对控制电路进行了设计。最终实现的控制电路可通过程序指令输出高、 低两种电平，为开关电路中的p i n 二极管提供直流驱动信号。 随后，基于软件设计，对集成了馈电网络的天线阵和控制路分别制作出实物，并 进行了指定波束扫描方式下的实物测试。根据实测结果，本文设计的2 4 g h z 频段的 方向图可重构天线系统可实现3 6 0 。全方位扫描，与文献相比，有更好的波束覆盖度。 最后，总结了本文的工作，并对未来相关研究工作做了展望。 关键词：方向图可重构天线，波束扫描，增益，r f 开关电路 作者：杜海霞 指导老师：刘学观 英文摘要方向图可重构天线系统的设计与实现 t h e d e i g na n d r e a l i z a t i o no f p a t t e r n - r e c o n f i g u r a b l e a n t e n n as y s t e m a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sm a k eh i g h e ra n dh i g h e rd e m a n df o ra n t e n n a sw i t hg o o d p e r f o r m a n c e t h e r e s e a r c ho nr e c o n f i g u r a b l ea n t e n n a sh a sb e c o m ea h o t s p o t g r a d u a l l yi nt h ea n t e n n af l e d ，b e c a u s et h e yc a na d j u s tt h e i rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s s u c ha s f r e q u e n c y ，r a d i a t i o np a t t e ma n dp o l a r i z a t i o n ，a c c o r d i n g t ot h er e a l e n v i r o n m e n t i nt h i st h e s i s ，t of o r map a t t e m - r e c o n f i g u r a b l ea n t e n n as y s t e m ，t h e e l e m e n t so fa n t e n n aa r r a y ，f e e dc i r c u i t sa n dc o n t r o lc i r c u i t sh a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l y s t u d i e do nt h eb a s i so fe x i s t i n gl i t e r a t u r e s t h ed e s i g np r o c e s s e so fe v e r yp a r t so ft h e s y s t e ma r eg i v e ni nd e t a i l s f i n a l l yt h ea n t e n n as y s t e mi sf a b r i c a t e da n dm e a s u r e d t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ed e s i g n e dp a t t e r n r e c o n f i g u r a b l ea n t e n n as y s t e mh a s 3 6 0 一d e g r e ec o v e r a g ei na z i m u t hi nt h eb a n do f2 4 g h z - 2 4 8 g h z t h i st h e s i si sd i v i d e di n t os i xp a r t s f i r s t l y ，t h ep a p e r s t a t e st h e s i g n i f i c a n c e a n ds t a t u so ft h er e s e a r c ho n r e c o n f i g u r a b l ea n t e n n a s ，i n t r o d u c e st h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r eu s e d ，a n d s u m m a r i z e st h eb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g i e sf o rp a t t e r n - r e c o n f i g u r a b l ea n t e n n a s a f t e r w a r d s ，e l e m e n t so ft h ea n t e n n aa r r a ya n df e e dc i r c u i t sa r ea n a l y z e da n d s t u d i e d b a s e do nt h e4 - y a g ia n t e n n a , an o v e l3 - y a g ia n t e n n ai sp r o p o s e d ，w i t ht h e a d v a n t a g e so f s m a l l e ri ns i z e ，l o w e rb a c k - l o b el e v e la n d w i d eb a n d w i d t h t h ea n t e n n a e l e m e n t sa r ef a b r i c a t e da n dm e a s u r e da sw e l la st h o s ew i t l ls w i t c h i n gc i r c u i t s ，t o v e r i f yt h ed e s i g n s t h e n ，a c c o r d i n gt ot h er e a s o n a b l es t r u c t u r e ，a na n t e n n aa r r a yi sf o r m e dw i t hs i x e l e m e n t s ，t h r e e3 - y a g ia n t e n n a sa n dt h r e e4 - y a g ia n t e n n a s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t ，t h e3 d bb e a mw i d t ho f t h ea r r a yc a n c o v e r3 6 0d e g r e ei na z i m u t h a f t e rt h a t ，t h ec o n t r o lc i r c u i t sa l ed e s i g n e d t h ec i r c u i t sc a no u t p u ts i g n a l sw i t h d i f f e r e n tl e v e l sa c c o r d i n gt ot h ep r o g r a m w i t ht h eh i g hl e v e ls i g n a l s ，t h ep i nd i o d e s i ns w i t c hc i r c u i ta r ed r i v e n 方向图可重构天线系统的设计j 实现英文摘要 a n dt h e n ，b a s e do ns i m u l a t i o n ，t h ea n t e n n aa r r a yi n t e g r a t e dw i t hf e e dc i r c u i t s a n dt h ec o n t r o lc i r c u i t sa r ef a b r i c a t e dr e s p e c t i v e l ya n da l s om e a s u r e di nt h ea p p o i n t e d b e a m s c a n n i n g m o d e a c c o r d i n g t ot h e m e a s u r e m e n t ，t h e d e s i g n e d p a t t e m r e c o n f i g u r a b l ea n t e n n as y s t e mc o v e r s3 6 0 - d e g r e ei na z i m u t h ，t h ec o v e r a g eo f w h i c hi sw i d e rt h a nt h a to ft h ea n t e n n aa r r a yp r o p o s e di nt h el i t e r a t u r e f i n a l l y ，t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ee n t i r ew o r ka n dg i v e st h ef u t u r ep r o s p e c to f t h er e l e v a n tr e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：p a a e m r e c o n f i g u r a b l ea n t e n n a ，b e a ms c a n ，g a i n ，r fs w i t c hc i r c u i t w r i t t e nb y ： s u p e r v i s e db y ： d uh a i x i a l i ux u e g u a n 方向图町重构天线系统的设计与实现 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀了匕 二十一世纪的人类社会是信息的社会，而无线通信在信息的传递中发挥着越来越 重要的作用。天线作为无线通信中的重要设备，它的选择与设计是否合理，对整个无 线通信系统的性能有很大的影响【2 1 。 近年来，无线通信技术得到飞速发展，系统对天线性能的要求越来越高。大容量、 多功能、超宽带是目前无线通信系统发展的重要方向【3 1 ，为了提高系统容量，下一代 无线通信将更多的考虑采用m i m o 技术。m i m o 技术指的是利用多个发射天线和多 个接收天线进行无线传输的技术，在分集技术出现后多径效应在m i m o 系统中作为 一个有利因素被加以利用，从而改善了每一个用户的服务质量及提高了频谱利用率。 但是，随着使用天线数目的增加，通信系统的整体成本和重量也随之增加，而且 会带来电磁兼容方面的问题，使得m i m o 技术实现的复杂度和成本大幅度增高， 不能充分发挥其技术优势【4 】。技术相对成熟的相控阵天线又存在馈电网络复杂、 需增加移相器以及由此造成的高成本和高技术难度等缺点。可重构天线在这种背 景下应运而生。 可重构天线就是采用同一个天线或天线阵，通过引入m e m s 开关、二极管开关 或场效应管开关等控制天线的辐射结构来实现工作模式的转换，使其具有多个天线的 功能。这种天线能够根据应用需求改变其关键特性参数，如工作频率、辐射方向图、 极化方式、雷达散射截面和输入阻抗等，具有不用人工干预，便于控制等特点。可重 构天线为天线技术的发展带来了一次革命，为提高无线通信系统容量、扩展系统功能、 增加系统工作带宽、实现软件无线电等方面提供重要的技术保障，将对无线通信技术 带来深远的影响。 可重构天线按照功能可分为频率可重构天线、方向图可重构天线、频率和方向图 同时可重构天线、极化可重构天线【5 】等。方向图是天线的一个重要特性，在军民用雷 达、智能武器制导、无线通信等系统中要求天线具有方向图可控性，因此，方向图可 重构天线是可重构天线研究的重要方向。特别是在备受物联网和智能l - j 禁系统等推崇 第一章绪论 方向图叮重构天线系统的设计与实现 的r f i d 技术领域有很多应用需求，因为方向图可重构技术可以大大增加阅读器终端 的多目标检测能力。 本文针对r f i d 系统多目标检测终端的应用，设计了一个电扫描方向图可重构天 线系统。该系统的可重构特性是通过直流信号控制r f 开关电路( 即馈电网络) 来实 现的。本文重点对天线单元和阵列进行了设计，首先提出一款微带八木天线作阵元， 该天线的3 d b 波瓣宽度为6 0 0 左右；然后，用六个阵元交叉排列成圆环阵列，来实现 3 6 0 0 无盲点扫描。另外，本文的主要工作还包括丌关电路的分析、加载开关电路后天 线阵的分析、控制电路的设计，并将设计内容制作相应的实物样品进行测试。实测结 果表明：该方向图可重构天线系统可以实现电扫描功能，具有良好的方向选择性，并 可保证辐射波束的3 6 0 0 无盲点扫描。本文的工作对可重构天线从理论研究到实际应 用的探索进行了有益的尝试。 1 2 可重构天线的发展及研究现状 可重构天线的概念最早是1 9 8 3 年，由d a n i e lh s c h a u b e r t 等人在他们的发明专 利1 6 j “f r e q u e n c y - a g i l e ，p o l a r i z a t i o nd i v e r s em i c r o s t r i pa n t e n n a a n df r e q u e n c ys c a n n e d a r r a y s ”中提出的。1 9 9 9 年美国国防高级研究计划署( d a r p a ) 制定了“r e c o n f i g u r a b l e a p e r t u r ep r o g r a m ”( r e c a p ) 计划，在这一计划的资助下，研究人员对可重构天线进 行了初步研究，证明了可重构天线的可行性。近些年，随着m e m s 技术、天线集成 技术的发展，可重构天线得到了广泛的关注【4 】- 【1 3 】。 天线上的电流分布决定了其辐射性能，可重构天线作为一种新型天线，从本质上 来说也是通过改变电流分布来实现其可重构特性的。可重构天线按照实现重构的方法 可以分为：1 、使用可变电容，通过直流偏置信号可以改变电容两端的偏压，不同的 偏压对应不同的容值，随着容值的变化，天线的特性参数会随之变化，从而实现可重 构功能；2 、机械制动器，通过机械制动的方式改变天线体的结构来改变电流分布， 实现可重构f 7 】：3 、射频开关，通过电控开关的状态来实现天线不同辐射结构之间的 切换【9 】- 【1 4 】，以此重构天线的电参数；4 、光控微波开关，当半导体开关被光照射时具 有导体的性质，无光照时又不会对电磁信号产生影响，因此可以通过光控制半导体， 改变天线的辐射性能实现可重构【8 1 。目前关于可重构天线的研究主要是集中于直流信 2 方向图可薰构天线系统的设计与实现 第一章绪论 号控制射频开关的方式，通过这种方式实现重构的天线又称为电可重构天线，一般提 到的可重构天线均是指电可重构天线。 国内外对可重构天线重构参数的研究主要集中在频率、方向图、极化方式等方面， 其中频率可重构天线的研究成果较多。频率可重构天线主要是通过重构天线的电长度 使天线的工作频段发生变化。d a n i e l ep i a z z a 等人在偶极子天线的两个振臂上分别集 成了两个p i n 二极管作为射频开关，开关闭合时偶极子天线的辐射臂加长，因此天线 工作在较低频段，开关断开时辐射臂缩短，则天线工作在高频段【明；m a h aa a l i 和 p a r v e e nw a h i d 基于八木天线工作原理，在有源振子和引向器中对称的位置用m e m s 开关连接，通过改变振子的长度，分别实现了5 7 8 g h z 和2 4 g h z 两个频段的频率可 重构【1 0 】。方向图可重构天线是指通过一定的方式改变天线的辐射方向图，而工作频率 保持不变，目前对方向图可重构天线的研究有很大一部分仍然基于相控阵天线的理 论。b a l a s u n d a r a me l a m a r a n 等人用周期可重构的p b g 结构代替传统的移相器得到不 同的辐射波束l l i j ；随着研究的深入，人们逐渐采用本身具有方向性的天线作为可重构 天线的辐射体，通过重构天线体得到不同的波束，如杨雪松等人采用在微带八木天线 上蚀刻e b g 结构来重构天线的方向副1 2 】；另外，通过i 江开关控制天线阵的馈电网 络也可以重构方向图，而且这种方式可实现较大范围的波束覆盖1 1 9 】【2 7 】。极化可重构 从本质上仍然是方向图的重构，改变天线极化方式的方法一般是通过调整射频开关在 缝隙或螺旋天线中的位置得到不同的极化方式1 1 3 1 1 1 4 】，f a ny a n g 等人在矩形贴片天线 上蚀刻了两条垂直的槽，每个槽上放置一个p i n 二极管，合理选择槽的长度和位置， 通过改变开关的状态，分别实现左旋和右旋极化i l 训。为了满足应用需求，对于多种参 数同时可重构的研究也逐渐被提上日程，目前频率和方向图同时可重构天线的研究在 国内外已起步并积累了一些经验。 虽然可重构天线在近年来得到了高度重视，并且研究发展迅速，但是在具体实现 上还存在一些难点和瓶颈。首先，开关的引入会影响天线的电流分布，天线产生的辐 射场，对射频开关的性能也会带来影响，而目前有不少关于可重构天线的研究并没有 采用真实的开关。其次，可重构天线的研究成果中极少提到偏置电路的设计思路。最 后，可重构天线包含了天线本身、射频开关、直流偏置电路等方面的内容，而绝大部 分的研究仅限于丌关和天线本身，很少有对可重构天线进行整体性研究的例子。文献 第一章绪论 方向图町莺构天线系统的设计j 实现 1 9 】采用两款天线作为阵元组成六单元天线阵，将r f 开关应用到天线阵的馈电网络 中，通过直流偏置信号控制馈电网络来实现方向图的可重构，文献中还给出了r f 开 关转换即偏置电路的详细设计及优化思路。但是，该文献并没有给出控制电路的设计， 而且由于天线阵中采用的单元“l a n d s t o r f e r 天线的3 d b 波束宽度只有3 6 。，因此天 线阵的3 d b 波束扫描不能均匀覆盖3 6 0 。本文基于文献【1 9 】对方向图可重构天线系 统做了进一步研究和改进，包括天线单元、天线阵列、馈电网络和控制电路，特别是 提出一款微带三元八木天线作为天线阵单元，使天线阵的3 d b 波束扫描范围能够达 到3 6 0 。全覆盖。 1 3 相关电磁仿真软件的介绍 分析微波天线系统本质是求解给定激励及边界条件下的m a x w e l l 方程问题，微波 天线系统越复杂，所需解的方程越复杂。但随着计算机计算能力的革命性变化，电磁 仿真软件在分析设计微波天线系统中发挥越来越重要的作用，也大大缩短了微波天线 产品的设计周期。电磁仿真软件是与电磁场的算法密切相关的，不同的仿真软件根据 不同的算法进行仿真。目前应用比较广泛的仿真软件按照算法可以分为以下几类： ( 1 ) 使用矩量法( m o m ) 的有a d s ，a n s o f td e s i g n e r ，m i c r o w a v eo f f i c e ，z e l a n d i e 3 d ，和f e k o 等； ( 2 ) 使用有限元法( f e m ) 的有h f s s 和a n s y s ： ( 3 ) 使用时域有限差分法( f d t d ) 的有e m p i r e 和x f d t d ； ( 4 ) 使用有限积分法( f i t ) 的有c s tm i c r o w a v es t u d i o 和c s tm a f i a 。 a d s a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ，是a g i l e n t 公司推出的微波电路和通信系统仿真 软件，是国内外各研究机构使用最多的软件之一。其功能非常强大，仿真手段丰富多 样，可以实现包括时域和频域、数字和模拟、线性和非线性、电磁和数字信号处理等 多种仿真手段。该软件还提供了一种新的滤波器的设计向导，可以使用智能化设计规 范的用户界面来分析和综合射频、微波电路集总元件滤波器，并可提供对平面电路的 场分析和优化功能，还允许工程师定义频率范围、材料特性、参数的数量和根据用户 的需要自动产生关键的无源器件模式。主要应用于：射频和微波电路的设计，通信系 统的设计，d s p 设计和向量仿真2 】【1 5 l 。 4 方向图- 口，重构天线系统的设计与实现 第一章绪论 c s t 微波工作室是专用于微波无源器件及天线设计与分析的软件包，它基于通用 的三维算法即有限积分法，因此几乎可以处理所有的电磁场仿真问题。其强大的实体 建模前端基于著名的a c i s 建模内核，结构输入过程非常简便，再加上完善的图形化 反馈，极大地简化了对各种器件的定义，在所有器件建模完成后，会自动进行一个基 于专家系统的全自动网格剖分，然后才开始进行正式的仿真【1 6 1 。这款软件包含四种不 同的求解器，供各自最适合的应用领域使用以取得最好的求解效果。c s t 具有强大的 天线设计及后处理的功能，它可以计算天线的频域参量，如增益、方向性、远场方向 图、远场3 d 图和3 d b 带宽等。还可以自定义激励脉冲，并通过设置探针( p r o b e ) 获得 天线远场时域波形响应，从而分析脉冲天线对激励脉冲的影响。 1 4 本文的主要工作和结构安排 本文主要设计了一个方向图可重构天线系统，这个系统包括六单元天线阵、开关 电路组成的馈电网络和单片机控制电路。本文的工作有以下几个要点： 第一，提出一种微带三元八木天线结构，通过在天线辐射元背面加金属片来改变 天线的电流分布，达到了缩小尺寸、降低后瓣电平并保持高增益和宽波束的目的。 第二，实现了单片机控制电路的设计，包括硬件电路设计、程序设计和实际电路 的调试。本文采用a t m e g a l 6 l 单片机，通过程序控制六个i o 口的输出电平，从而 对开关电路提供六路不同的激励信号，同时在1 6 0 2 液晶上显示对应的天线工作状态。 第三，设计制作了六单元天线阵，仿真及实测结果表明：在2 4 g h z 频段，该天 线阵波束扫描范围可覆盖3 6 0 。 本文的结构安排如下： 第一章，绪论部分，阐述了本课题的选题背景及意义，介绍了设计中用到的电磁 仿真软件。 第二章，介绍了天线的几种重要参数，总结了方向图可重构天线实现波束赋形的 方法，最后给出了本文设计的方向图可重构天线系统的结构框图。 第三章，在文献中四元微带八木天线的基础上，设计了一款新型的微带八木天线 结构：研究了开关电路单元的微波特性；并通过对天线单元及加载丌关电路的天线单 元的样品加工及实测，对设计进行了验证。 第一章绪论 方向图可重构天线系统的设计了实现 第四章，采用所提出天线单元，通过合理布局构建了六单元天线阵，分别仿真分 析了天线阵和馈电网络。最后，采用两种电磁软件对天线阵和馈电网络进行了联合仿 真。 第五章，介绍了基于单片机的控制电路的设计，详细分析了该电路的总体设计思 路、硬件设计和软件设计。 第六章，介绍了方向图可重构天线系统的样品制作情况，并对制作的天线系统样 品进行回波损耗和方向图的实物测量，实测结果表明：该天线能够在2 4 g h z 频段内， 实现3 6 0 。全方位波束扫描。 第七章，结论与展望，对全文的工作进行了总结，并指出了工作中存在的不足和 需要改进的地方。 6 方向图町重构天线系统的设计与实现 第一二章方向图a ，蕈构天线理论 第二章方向图可重构天线理论 可重构天线的理论仍然是建立在传统的电磁辐射理论基础之上，因此本章首先介 绍了天线的电参数，包括：方向性系数、天线效率、方向图、增益、辐射电阻和输入 阻抗等；然后，总结了方向图可重构天线实现波束赋形的方法；最后，提出本文的设 计思想及系统框图。 2 1 天线的电参数 天线是系统与空间交换电磁能的装置。天线可以将系统内产生的电磁能有效地辐 射给周围空间，并形成电磁波；或将空间电磁波有效地转换成电信号。完成这些任务， 天线应有以下功能2 j ： 天线应能将导波能量尽可能多地转变成电磁波能量或相反。这首先要求天线是 一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。 天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上，或对于确定方向的来波最大限度 地接受，即天线具有方向性。 天线应能发射或接收规定极化的电磁波，即天线有适当的极化。 天线应有足够的工作频带。 天线的性能参数就是能定量表征其能量转换和定向辐射能力的量，上述天线的几 种功能即可用其相关性能参数来描述和衡量。下面就常用的天线性能参数给予简要说 明】【1 7 】： 1 方向性系数 在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度s m 戤与相同辐射 功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度氐之比，就是方向性系数， 记为d ，即 d ：垒 ( 2 1 ) s o 方向性系数可以定量的表征天线向空间辐射功率的情况：天线的方向性愈强，方 7 第二章方向图可蓖构天线理论方向图口，重构天线系统的设计j 实现 向系数愈大。通常以天线在最大辐射方向的方向性系数作为这一天线的方向性系数。 2 天线效率 天线效率定义为天线辐射功率和输入功率的比值，即 玑专 2 ， 3 增益 天线的增益系数描述了天线与理想无方向性天线相比在最大辐射方向上将输入 功率放大的倍数，是方向系数与天线效率的乘积，记为g ： g = d r 一 ( 2 3 ) 4 方向图 天线的方向图，是表示在离天线一定距离处，辐射场的相对场强( 归一化模值) 随方向变化的图。方向图一般不用三维图形表示，而是采用通过天线最大辐射方向上 的两个相互垂直的平面方向图( 即e 面和h 面) 来描述。 e 面，就是电场矢量所在的平面。h 面，就是磁场矢量所在的平面。 4 主瓣宽度 主瓣宽度是衡量天线最大辐射区域的尖锐程度的物理量。按半功率电平点夹角定 义的波束宽度称为半功率波束宽度( 或3 d b 波束宽度) ，通常将半功率波束宽度作 为衡量主板宽度的重要参量。 5 前后比 前后比是指最大辐射方向( 前向) 电平与其相反方向( 后向) 电平之比，通常用 分贝作为其单位。 6 辐射电阻和输入阻抗 从电路的观点，从传输线看向天线这一段可等效于一个电阻，称为辐射电阻。这 是从空间耦合到天线终端的电阻，与天线结构本身的电阻无关。辐射电阻的定义：设 有一个电阻，当通过它的电流等于天线上的最大电流时，其损耗的功率就等于其辐射 功率。显然辐射阻抗的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标，即辐射电阻越大， 天线的辐射能力越强。 天线的输入阻抗接近于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率。天线的输 入阻抗指的是天线输入端电压与输入端电流的比值。 方向图可蕈构天线系统的设计与实现第- 二章方向图可蕈构天线理论 z ，。= 了u ( 2 4 ) 天线的性能是一项综合性的技术指标。为了系统使用的需要，有时要顾及到多项 指标，需要采取折中的办法。 2 2 方向图可重构天线实现波束赋形的方法 天线本身就是一个有着特定电流分布的辐射体，而天线的性能参数与其电流分布 有关，也就是说，天线的特定电流分布决定了它的特性。可重构天线作为一种新型的 天线，从本质上来说也是通过改变天线结构，从而改变电流分布来重构天线参数，实 现可重构的功能的。改变天线上电流分布的方法有很多，例如加过孔、开槽、改变天 线的形状等。可重构天线中，通常用射频开关改变天线体或者馈电网络的结构来改变 其电流分布【1 8 】f 。射频开关是可重构天线的一个非常关键的部件，常用的射频开关 有p i n 二极管开关、g a a s f e t 开关和m e m s 开关。每种开关都有各自的优缺点，实 际应用中对射频开关特性参数如成本、功耗、微波性能等的要求也不同。根据本文的 应用背景本文选用p i n 二极管作为射频丌关，具体介绍将在第三章开关电路部分给 出。 下面介绍几种方向图可重构天线的具体实现方式： l 、基于相控阵理论的方向图可重构天线 目前，在方向图可重构天线方面的研究有些仍然基于传统的相控阵天线理论。 b e l a m a r a n 等人采用多辐射单元，将传统移相器采用光子带隙结构( p b g ) 来实现， 通过p i n 二极管开关改变光子带隙的周期数来实现波束控制，从而达到方向图可重构 的目的2 0 1 。m t a i i 等则用矩形贴片组成天线阵，在功分器馈电网络中加载p i n 二极 管构成的开关电路来控制天线阵中阵元的增j n - 与减少来实现波束赋形【2 l 】。显然，这些 可重构天线并没有摆脱相控阵天线的理论束缚，系统中仍存在馈电网络复杂等问题。 2 、r f 开关改变天线结构 除了基于相控阵理论的研究之外，人们还对本身具有方向性的天线进行了方向图 可重构特性的研究。主要分为两类，一类是通过r f 开关改变天线本身的辐射结构； 另一类是通过r f 开关控制天线的馈电网络。目前大多数的研究是基于第一类的，电 子科技大学的肖绍球和杨雪松等人分别提出的共面波导可重构漏波天线和方向图可 9 第二章方向图叮重构天线理论 方向图叮重构天线系统的设计i 实现 重构八木天线以及可重构h i l b e r t 微带贴片天线均是在天线体上刻蚀缝隙，并用开关控 制缝隙的闭合与断开来达到方向图可重构的目的【2 2 】【2 3 】。下面分别对三种形式的天线 体的方向图可重构研究状况做如下阐述： ( 1 ) 螺旋天线 为了实现方向图的可重构，人们设计出不同几何结构的天线体，通过控制物理结 构改变天线的电长度来获得不同的辐射方向图，但是这些天线的波束宽度往往相对较 窄。p r a t h a b a nm o o k i a h 和d a n i e l ep i a z z a 等人对具有宽波束的圆形单臂螺旋天线做了方 向图可重构特性的研究，在螺旋臂上加载射频丌关，以此控制天线的臂长。螺旋天线 最外圆周导线的长度大于和小于工作波长时，天线会分别产生不同的辐射方向。根据 这种现象，用射频开关控制天线最外周导线的长度，在同一工作频率下获得不同的辐 射方向副2 4 1 。c h a n gw o nj u n g 等用矩形单臂螺旋天线作为辐射体进行了研究，可重构 矩形单臂螺旋天线由多节导线构成，在导线的关键位置用射频开关连接，通过射频开 关的通断改变螺旋天线的臂长来改变其辐射方向图【2 5 1 。其中射频开关的位置是根据特 定频率下天线的轴比和增益优化得到的。 n 取0 舛糟轴a 薯，；钾0 棚嘲r - 咕t i f 簪轴蝴 w 图2 1 圆形螺旋天线 图2 2矩形螺旋天线 螺旋天线本质上是通过改变天线的极化方式实现方向图重构的。 1 0 方向图町重构天线系统的设汁j 实现 第二章方向图叮重构天线理论 ( 2 ) 微带八木天线 八木天线只有一个有源振子，其他振子为寄生单元，通过设置合适的尺寸，寄生 单元可以分别起引向器和反射器的作用。研究表明，微带八木贴片天线中，用于引向 器的寄生单元，通过蚀刻槽结构的方式同样可以起到反射器的作用。因此，在槽结构 中加载射频开关，使得天线两侧的贴片在不同开关状态下分别起引向器和反射器的作 用，这样就可以得到不同方位的辐射方向图。杨雪松等人对槽加载的微带八木天线的 方向图可重构及方向图和频率同时可重构的特性做了详细研究【2 4 1 【l 2 1 。 金疆康皈 y 缀 缎 鬻影 寄，l ：然j 懈荔 x 翘 ，堪强乃 ( 毫)嘞 图2 3( a ) 方向图可重构二维八木贴片天线 ( b ) 贴片槽和开关 ( 3 ) 分形天线 分形天线是电磁理论与分形几何学的融合，它具有薄剖面、小尺寸、易制作、低 成本等优点，因此在无线通信、卫星和移动通信方面有非常广阔的应用前景。 文献 2 4 中，以h i l b e r t 曲线构造的微带贴片天线为辐射体，通过在贴片天线的适 当位置丌槽，然后用r f m e m s 开关控制槽的连接状态，来实现方向图可重构的目的。 3 、r f 开关控制天线阵的馈电网络 通过控制馈电网络中射频开关的状态，为天线加载不同的激励，从而获得不同的 辐射方向图。 d e r e kg r a y 等人在1 9 9 5 年基于八木天线提出一种电扫描波束赋形的天线结构，阵 列中的四个八木天线单元通过电控开关的控制，某一时刻只有一个单元工作，而四个 单元均匀摆放一周就实现了3 6 0 。全方位扫描【2 6 】；与这种设计思想类似，2 0 0 9 年a n g u s c k m a l ( 等人提出的六单元的可重构天线阵列，也是通过r f 开关控制天线阵的馈电网 第二章方向图町重构天线理论 方向图可重构天线系统的设计与实现 络，使不同的阵元工作来实现方向图控制和重构的，天线阵在高增益下的波束覆盖范 围达至u 3 6 0 。，该文献还给出了开关转换电路的详细设计【l 明。鉴于文献【1 9 】中天线阵 的3 d b 波束并没有均匀覆盖3 6 0 。，而且没有给出控制电路的相关设计与实现，本文 主要对该文献的工作进行了研究与改进。基于文献【1 9 】中的天线阵模型及开关电路设 计，设计了一款新的微带八木天线作为阵元，使天线阵的3 d b 波束扫描范围达n 3 6 0 。，可实现全方位无盲点扫描。另外，本文还给出了控制电路的设计，完成了从天线 单元、天线阵、馈电网络和控制电路的系统设计。 2 3 方向图可重构天线控制系统的设计思想及实现框图 竺攀j 一二：j 罢 一一，凇制警- = 一琵一 图2 4 方向图石 重构天线系统框图 本文设计的方向图可重构天线包括了天线阵、射频开关组成的馈电网络及控制电 路，系统框图如图2 4 所示。其中天线阵中有六个天线阵元，每一个阵元在天线的方 向图可重构面即e 面提供6 0 0 左右的3 d b 波束宽度，六个单元分别按不同的方位均匀 排布成圆环阵列；馈电网络是由六个基本的开关电路单元组成的，由电控射频开关的 通断来控制为哪一个阵元馈电；控制电路主要是为每一路开关电路提供控制直流电信 号，通过控制电路输出的直流电平信号控制整个天线阵的扫描方式。 2 4 本章小结 本章主要介绍了天线的电参数，然后总结了方向图可重构天线实现波束赋形的方 法，最后给出了本文设计的方向图可重构天线系统的框图。 方向图口，重构天线系统的设计1 j 实现第三章口r 霞构天线阵列单元设汁 第三章可重构天线阵列单元设计 由于微带天线组成阵列后一致性很好，且具有体积小、重量轻、易集成等优点， 而八木天线有结构简单、增益高的优势，因此很多可重构天线采用微带八木天线作为 辐射体进行频率或方向图的可重构特性研究。本章的主要工作是根据八木天线的设计 理论，从四元八木天线出发，分析八木天线的辐射特性；并提出一款尺寸缩小、后瓣 电平得到改善的三元八木天线；分别将四元八木天线和三元八木天线制作出样品，两 款天线均工作在2 4 g h z 频段；然后对射频开关电路进行了分析；最后给出了集成了 开关电路之后三元八木天线和四元八木天线的仿真和实测结果。 3 1 八木天线理论 八木天线是日本学者八木次秀和宇田新太郎两个人在上世纪二十年代设计出的 一种高增益天线【1 1 。一直以来，八木天线以其结构简单、制作方便等突出优点，被广 泛应用于米波和分米波通信、雷达、电视及其他无线电设备中。这种天线的缺点是较 难调整、频段窄。随着对八木天线的进一步研究，结合应用要求，研究者分别设计出 微带八木天线和l a n d s t o r f e r 赋形天线【1 】【2 7 1 等八木天线的变种。 一 ￥ 图3 1 八术大线结构图 八木天线也叫引向天线，是由一个有源振子，个反射器，若干个引向器构成的， 反射器和引向器分别在有源振子的两侧，如图3 1 所示。八木天线也是一种阵列天线， 与其他阵列天线不同的是：八木天线只对一个振子馈电，这个振子就称为有源振子， 第三章_ 口，蕈构天线阵列单几设计銮臼圈堕重构天线系统的设计与实现 其他的振子则是通过与有源振子间的近场耦合所产生的感应电流来获得激励的，这些 阵子称为无源振子。无源振子上感应电流的大小可以通过改变各振子的长度和彼此间 距来调整，因此，八木天线的设计方法即是通过调整振子的长度和间距，以改变各振 子之间的电流分配，从而获得不同的方向性。增加引向器的个数有助于增大天线的增 益，只不过随着引向器与有源振子间距的增加，其感应电流会相应减小，引向作用也 会减弱。而且由于各振子之间的相互影响，无源振子个数增加会导致天线的工作频带 变窄，输入阻抗降低，不利于与馈线的匹配。如果对增益没有特别高的要求，一般三 个引向器的八木天线即有很好的辐射特性。 综上，影响八木天线辐射性能的因素有：1 、无源振子和有源振子的长度，2 、无 源振子之间及无源振子与有源振子之间的距离，3 、引向器的数目。这三种参数一般 是通过经验值优化得到。一般来说，当无源振子做引向器时，长度取为( o 4 2 0 4 6 ) 倍 波长；当无源振子做反射器时，长度取为( o 5 0 0 5 5 ) 倍波长；无源振子与有源振子的 间距是( o 1 5 0 2 3 ) 倍波长；而引向器之间的间距则根据不同的天线性能要求来设定， 间距大时波瓣较窄但副瓣较大，间距小时副瓣低而增益差些。 下面通过对二元振子辐射原理的分析，来阐述八木天线的工作原理： 假设振子a 和b 并行排列，间距为d ，如图3 2 。设两振子上的电流振幅相同， b 的相位比a 超前一个角度f 2 j ，两振子的合成场的场强公式为 ：e。+b：(pj口jde e o + p 川争) ( 3 1 ) = j 4 + = ( p 。2+ p 。2) ( 3 1 ) 无源振子与有源振子之间的相位差与两振子的间距有关，当两振子间距为1 4 波长时，相位差为= 9 0 。，将这种情况结合公式( 3 - 1 ) 可得 e = 缸l “n ( 号s i n o ) ( 3 - 2 ) 其方向图如图3 3 所示，当9 = 0 。时，e = 2 ；当秒= 9 0 。时，e = 2 e o ；当 目= 1 8 0 。时，e = 2 毛；当矽= 2 7 0 。时，e = 0 。因此，口= 9 0 。时即电场为从b 指向a 的方向，电场强度最大；口= 2 7 0 。时即电场为从a 指向b 的方向，电场强度 最弱。此时，振子b 即相位超前9 0 。的振子为反射器，把电场向振子a 方向反射过 去。 1 4 方向图可重构天线系统的设计与实现第三章由t 重构天线阵列单元设计 o a 彳 吉b厂7 ( 图3 22 2 元振子 图3 3 间距为四分之一波长的二元振子的辐射方向图 以上理论分析是二元振子在特定情况下，即问距为1 4 波长时的辐射原理。据此， 八木天线的工作原理可具体描述如下：当有源振子的激励电流方向为背离无源振子时 ( 类似于图3 2 中0 = 9 0 。的情况，此时a 为有源振子，b 为无源振子) ，无源振子 上感应电流的相位比有源振子上电流的相位超前9 0 。，有源振子的辐射场经过1 4 波长的距离到达该无源振子后，其感应电流的相位延迟9 0 。，此时两者的相位差为 1 8 0 。，使得偏向无源振子的方向辐射为零，其反方向辐射最大，该无源振子就是反 射器；当有源振子的激励电流方向为朝向无源振子时( 类似于图3 2 中0 = 9 0 。的情 况，此时b 为有源振子，a 为无源振子) ，无源振子上的感应电流相位则滞后于有源 振子9 0 。，当有源振子的辐射场经1 4 波长到达该无源振子时，其感应电流的相位 延迟9 0 。，此时两者的相位差为0 。，因此偏向无源振子的方向上辐射最强，其反方 向辐射最弱，该无源振子为引向器。各振子间距1 4 波长是取的特殊值，但是实际应 用中往往因为工作频率、单元的数量及其他因素不同，使得各振子间距不同或者并不 是1 4 波长，其相位差会因此有所不同，但是分析的原理相同。 3 2 四元八木天线 文献1 1 9 1 中采用了一款微带八木天线，图3 4 是其结构示意图，文中该天线工作 在2 4 g h z 一2 4 8 g h