论文总字数：23342字

摘 要

本文以矩形微带贴片天线为基础，设计了1.4GHz波束宽度可调的可重构天线。论文的主要内容如下：

首先，简单介绍了可重构天线这一概念，以及其研究历史和研究现状；介绍了矩形微带贴片天线的工作原理、一些经验公式和尺寸设计方法。根据经验公式可以计算出符合技术指标的天线的参考尺寸，最终的尺寸需要在仿真软件中反复调试来确定。

其次，介绍了一种矩形微带波束宽度可重构天线的结构：在矩形微带贴片天线的激励贴片两侧间隔相同距离、对称地放置寄生贴片，在每个寄生贴片上开缝，在缝隙上加装变容二极管。在寄生贴片上施加直流偏置电压可以控制变容二极管的电容值，实现天线方向图的重构。缝隙两端加装固定电容，用来隔断直流信号，并使高频电流通过。然后分析这种结构的天线波束宽度可重构的原理。通过仿真结果分析贴片边长、贴片间距、缝隙尺寸、电容大小等参数对天线性能的影响。

最后，按照技术指标设计一个波束宽度可调的微带贴片天线，而且波束宽度的变化是连续的。

关键词：可重构天线；矩形微带贴片天线；波束宽度可调；变容二极管

Abstract

In this paper, based on the rectangular microstrip patch antenna, the 1.4 GHz beamwidth reconfigurable microstrip antenna has been designed. The main content of the paper is as follows:

First of all, this paper introduces the research background and research status of reconfigurable antenna; This paper also introduces the working principle of the rectangular microstrip patch antenna, size design method and empirical formulas. According to the empirical formulas, the antenna reference size in accordance with technical indicators can be calculated, the final size of the antenna need to emulate repeatedly in simulation software.

Secondly, this paper introduces a structure of microstrip antenna with tunable beamwidth consists of three square patches. The parasitic patches are placed closely to the driven patch with the same interval and slot on each parasitic patch with varactor diodes in the center of the slot. DC bias voltage applied on the parasitic patch can control varactor diodes and make the beamwidth tunable. Fixed capacitors are fixed on both ends of the slots to separate DC signal and make the high frequency current pass. This paper analyze the theory of this antenna and analyze the influence of patch size, patch interval, slot size to the antenna performance.

Finally, this paper design a microstrip patch antenna with tunable beamwidth according to the technical indicators.

Keywords: reconfigurable antenna; rectangular microstrip patch antenna; beam width modulation; varactor diode

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 可重构天线研究现状 2

1.3 本文的主要研究内容 3

第二章 矩形微带贴片天线 4

2.1 矩形微带贴片天线工作原理 4

2.2 矩形微带贴片天线的尺寸设计方法 5

第三章 波束宽度可重构天线设计 7

3.1 波束宽度可重构天线 7

3.2 波束宽度可重构原理 7

3.2.1 寄生贴片对天线辐射特性的影响 7

3.2.2 缝隙对天线辐射性能的影响 20

3.3 天线设计方案 34

第四章 总结与展望 50

4.1 全文工作总结 50

4.2 后期工作展望 50

绪论

研究背景

自十九世纪末，天线被设计制造出来之后，这种器件就成为无线通信系统中几乎不可或缺的组成部分。现代通信系统的快速发展使得人们对天线的需求量越来越大，对天线性能的要求越来越高，并且希望天线的体积尽可能小，重量尽可能轻。传统天线的一个局限之处在于，天线一旦被设计制造出来，其性能参数就基本固定，只能在某种电磁条件下工作。人们不再满意一个天线只能实现单一的功能，而希望一个天线能实现多种功能。于是可重构天线应运而生。

可重构天线的理念早已有之。早在二十世纪三十年代，就有人使用相位校正变换器调整一个二元阵列天线的零点，来测定接收到的信号的方向^[1]。最早的可重构天线通常是通过改变天线的物理结构来达到性能重构的目的。

天线阵列是实现可重构的一种重要方式。其中一类可重构阵列是通过控制阵列中元件的开关状态来改变辐射特性，例如在第二次世界大战中被发明伍伦韦伯阵列。这是一个巨大的窄波瓣圆形方位定向阵列，沿着圆周激活一小群比邻的元件，可以进行360°扫描^[2]。还有一类可重构阵列是通过移动阵列元件来实现重构，许多大型反射天线采用了这一理念。例如阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列望远镜（ALMA）。这是一个由66个12米和7米抛物面组成的射电望远镜，阵列元件可以由特殊的交通工具移动，阵列大小可以从250米扩展到15千米。

从上世纪90年代末开始，针对半导体开关和MEMS开关的研究逐渐深入。对于这类器件的恰当应用开始成为可重构天线领域研究的核心问题。最近，新材料的研究为可重构天线引入了新的思路。通过改变材料的电参数或者使用活性材料等方式可以改变元件对于电激励的响应。单个天线需要实现多个功能这一需求将继续推动可重构天线的发展。

可重构天线研究现状

天线实现性能可重构的主要方式有机械可移动部件、天线阵列、射频开关和材料可调技术等。

尽管机械可移动部件和可重构阵列是在可重构天线研究的早期阶段就提出的方法，但在现在依然有重要的应用。比如阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波阵列望远镜的可移动天线阵列，以及21世纪卫星技术工程在太空中搭建空间阵列天线的计划。

随着半导体技术和材料学科的发展，射频开关和新型电磁材料被引入可重构天线领域。射频开关可以改变天线中的电流路径。打开或关闭开关能改变电流分布，进而改变天线的辐射性能或者阻抗。在微波频段以下，低通开关在闭合时相当于电阻，断开时相当于电容。带通开关在闭合时类似于电容，断开时相当于另一个值的电容。当频率升高时，接地电感、耦合电感、传输阻抗都对开关性能产生影响，也会增加电路的复杂程度。寄生电阻会限制开关的频率范围。半导体开关的速度可以达到纳秒级，而机械开关的速度只有毫秒级。根据所需的开关时间，应当选择不同种类的开关。开关可以以多种方式应用于微带贴片可重构天线。比如，将一个大贴片切分成许多小贴片组成的阵列 ^[4]，或者在缝隙天线上加装开关 ^[5]。

另一种被普遍使用的微波开关是PIN二极管。掺杂度低的本征区将高掺杂度的P结合N结分隔开来。在高频段，PIN管的阻抗较低。和PIN二极管不同，变容二极管有很薄的耗尽层，并且P区和N区近似于导体。在调节天线的频率范围方面，变容二极管十分有用。在缝隙天线中，沿着缝隙设置变容二极管，可以使天线拥有两个可控制的工作频点^[6]。

此外，MEMS开关也被运用于可重构天线中。这是一种机械开关，开关速度可以达到10微秒。最近，压电式MEMS开关被研发出来，开关速度能达到1微秒。MEMS开关兼具机械开关和半导体开关的优点，但在微波和毫米波频段的损耗较高，功率容量受到限制^[7]。

如果用于制造天线的材料的电、磁、机械参数能随着环境改变而有规律地变化，也可以达到重构天线性能的目的。这类材料被称为参数可变材料，包括光敏电阻、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形状记忆材料等。形状记忆材料会在温度变化时改变形状，在适合的激励下，形状记忆材料会还原成原来的形状。一些合金和高分子聚合物都有这种性质。

本文的主要研究内容

本文第二章的第一节简单介绍了微带天线，并且以一个简单的矩形微带贴片天线为例子，简要说明矩形微带贴片天线的工作原理。第二章第二节介绍了有关矩形微带贴片天线尺寸设计的一些经验公式，总结了这类天线的一般设计过程。第三章第一节介绍了一种波束宽度可变的可重构天线结构；第二节介绍了这种天线实现波束重构的原理，并通过仿真结果加以分析说明；第三节介绍了根据技术指标设计的可重构天线的尺寸结构及其设计过程；最后给出了天线的仿真结果。本文用到的软件包括CST2014、Altium Designer2015和ADS2009。

矩形微带贴片天线

矩形微带贴片天线工作原理

微带贴片天线的常见结构是：在一层薄介质基板的一面覆盖一层金属层作为接地板，另一面附加一个或多个某种形状的金属贴片。馈电方式可以采用同轴探针馈电或微带线馈电。图2-1是一个简单的矩形微带贴片天线。影响这个天线性能的主要参数有：贴片长L、贴片宽W、介质基板高h、介质基板相对介电常数。

（a） （b）

（c） （d）

（e） （f）

图2-1、CST仿真的微带贴片天线及其电场分布：（a）天线结构，圆形标记的位置为馈电点；（b）电场分布；（c）X轴方向上的电场分布；（d）Y轴方向上的电场分布; （e）Z轴方向上的电场分布; （f）远场区方向图。

理论分析的时候，一般认为电场沿贴片宽度方向，也就是沿X轴方向，是不发生变化的^[8]。但是从图2-1（c）可以看出，电场在宽度方向上有变化。在贴片的四角，电场会向贴片中点倾斜。在贴片上下边缘，沿Y轴方向的电场方向相同，强度相同，Z轴方向的电场方向相反，强度相同。从远场区图上看，波束方向垂直于天线表面。从图中还可以发现，介质基板边缘也存在电场，但和贴片上的电场相比，强度很小。说明介质基板和接地板边缘辐射出的场会对天线远场区造成影响，但与贴片相比，影响应该较弱。

矩形微带贴片天线的尺寸设计方法

设计矩形微带贴片天线时，通常需要考虑的参数有：介质基板厚度、介质基板相对介电常数、贴片宽度、贴片长度、介质基板尺寸、馈电点位置等。需要根据技术指标来确定这些参数。天线的技术指标包括驻波比（通常要求驻波比小于2，也就是S₁₁小于-10dB）、方向系数、增益、波束宽度、中心频率、带宽、旁瓣电平、线极化时要考虑交叉极化电平等。

首先选取合适的介质基板。先确定介质基板厚度h、介质基板相对介电常数。这些参数会影响其他尺寸参数的计算。当介质基板厚度h小于λ/16时，驻波比小于等于2的频带宽度B的经验公式为^[8]：

以上公式中，带宽B以MHz为单位，h以英寸为单位，中心频率f以GHz为单位。不过一般我们习惯将厚度h以毫米为单位。经过转换，上式可以写成^[8]：

从这个公式可以看出，矩形微带贴片天线的带宽受中心频率和介质基板厚度的影响。频率越低，带宽越窄，介质基板越薄，带宽越窄。所以厚度h可以根据技术指标要求的带宽和中心频率来确定。

微带天线的波导波长可以由以下公式计算：

式中为自由空间波长，为有效介电常数。有效介电常数有以下公式计算^[8]。

式中W表示金属贴片宽度。而贴片长度L通常比/2稍微小一些。从以上公式可以看出，贴片的长宽受介质基板的厚度h和相对介电常数的影响。因此，一般说来，如果天线工作在较低频段，选择相对介电常数较大的介质基板，可以缩小微带天线尺寸。

当介质基板已经选定，厚度h和相对介电常数确定下来，那么根据公式（2.4），贴片宽度W决定了有效介电常数。

公式2.7给出了宽度W的上限^[8]。f₀表示谐振频率，c表示光速。可以看出W的取值一定小于二分之一波长。

接下来确定贴片长度L。L的取值由波导波长决定,通常比二分之一波导波长稍微小一些^[8]。

微带天线的常用馈电方式有多种。这里介绍两种：微带线馈电和同轴线馈电。

微带线馈电也称作侧馈。馈线和贴片在同一平面上，因此制作起来比较简单，但馈电网络会使天线的面积增大，而且微带馈线本身会向空间辐射电磁波，对天线造成干扰。改变馈电点的位置，使天线和馈线的特性阻抗匹配。馈电点的位置可以根据具体条件灵活地选择。馈电点可以直接选在贴片边缘，也可以深入到贴片内部，还可以进行多枝节匹配。

同轴线馈电也称作背馈。这种馈电方式是在贴片和接地板之间打一个通孔，让探针从接地板上的孔穿入，从背面连接到贴片。探针与同轴线的内导体连接。通过改变通孔的位置来进行阻抗匹配。同轴线馈电的好处是馈电点可以选在贴片的任何一个位置，不需要像微带馈电方式那样增加天线尺寸；而且同轴馈线连接在天线背面接地板下方，对天线远场区的影响较小。

改变馈电点位置会导致中心频率偏移，可以调整贴片尺寸来校正中心频率。

波束宽度可重构天线设计

波束宽度可重构天线

Ahmed Khidre, FanYang和Atef Z. Elsherbeni提出了一种可重构天线^[9]。天线结构如图3-1所示。

图3-1、一种波束宽度可重构天线的结构

天线介质基板的相对介电常数为2.2，200×100×3.175mm。激励贴片放置在介质基板正中心，边长38mm，两个寄生贴片放置在激励贴片两侧，与激励贴片间隔4mm，尺寸与激励贴片相同。寄生贴片上开有缝隙。中间较宽的缝隙长20mm，宽0.5mm，以贴片中点为中心。贴片两端较窄的缝隙宽0.2mm，将寄生贴片完全分割成上下两部分。宽缝正中装有变容二极管。窄缝两端装有数值较大的固定电容。天线采用同轴线馈电，馈电点位于激励贴片纵向中轴线上，距离贴片下边缘12mm。寄生贴片外侧连接有条形金属贴片。在上方的金属条施加直流偏置电压，下方金属条接地^[9]。

波束宽度可重构原理

寄生贴片对天线辐射特性的影响

首先考虑寄生贴片对天线辐射性能的影响。在CST中构建一个矩形微带贴片天线，进行仿真。天线结构和仿真结果如图3-2，激励贴片为正方形，边长38mm，馈电点位置在贴片中心正下方7mm，介质基板材料选择Taconic TLY-5(lossy)，尺寸200×100×3mm。

（a） （b）

（c） （d）

图3-2、一个普通的微带天线及其仿真结果：（a）天线结构；（b）带宽；（c）中心频率；（d）远场区方向图、波束宽度和增益。

根据公式（2.2）：。将中心频率f=2.446GHz和厚度h=3mm带入，计算结果为90.46MHz。VSWR小于2对应的是S₁₁小于-10dB，仿真结果为76.3MHz，是计算结果的84%。设置Phi=0，Theta变化，观察xoz平面方向图，天线主波束方向为0°，波束宽度75.1°。本文后续内容讨论的波束宽度变化，全部是指xoz面（H面）上的波束宽度。

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