High gain reconfigurable symmetrical sector patch antenna loaded with parasitic elements
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摘要:目的
为满足舰载通信系统对多功能天线的需求，提出一种基于八木天线的新型高增益四波束可重构贴片天线。
方法主要由4个对称的扇形单元组成，4个PIN二极管分别加载在中心贴片和4个扇形贴片之间，用于控制天线辐射方向图。通过切换PIN二极管的导通/截止状态，控制天线波束辐射方向，以实现4种不同的方向图。通过添加弧形寄生单元作为反射器和引向器，增加天线增益并抑制旁瓣。
结果实测结果表明，该天线可以在4种模式下分别实现方位角平面45°，135°，225°和315°共4个方向的波束指向。在5.47～6.05 GHz，所有模式均可实现7.46 dBi的高平均增益。
结论该天线具有高增益、低剖面、控制简单等优点，可以根据舰船通信需求，动态调整天线的辐射方向，减少信号干扰，提高通信质量。
Abstract:ObjectivesTo meet the demand for multifunctional antennas in shipborne communication systems, this paper proposes a novel high gain four-beam reconfigurable patch antenna based on the Yagi antenna.
MethodsThe proposed antenna is composed of four symmetrical sector elements, with four PIN diodes loaded between the central patch and the sector components. These PIN diodes are used to control the radiation pattern by switching their on/off states, allowing the antenna to achieve four distinct directional patterns. Additionally, arc-shaped parasitic units are incorporated as reflectors or directors to enhance the antenna's gain and suppress sidelobes. The antenna is fabricated on a single-layer PTFE substrate with a dielectric constant of 2.2 and a loss tangent of 0.001, with overall dimensions of 80 mm × 80 mm × 4 mm. The design process involved optimizing various parameters, such as the radius of the sector patches (R1) and the spacing between the parasitic units and the sector patches (D1), to achieve the desired performance. The antenna's performance was evaluated through both simulation and experimental testing, with detailed analysis of its radiation patterns, gain, and impedance characteristics.
ResultsExperimental results demonstrate that the antenna can achieve beam pointing at four specific azimuth angles (45°, 135°, 225°, and 315°) across four operating modes. Within the frequency range of 5.47 to 6.05 GHz, the antenna exhibits a high average gain of 7.46 dBi, with a measured impedance bandwidth of 10.07%. The measured gain is consistent across all four modes, with a maximum gain of 8.68 dBi observed within the operating band. The introduction of parasitic elements significantly enhances the antenna's directional radiation pattern, reducing sidelobes and improving gain. The optimized antenna demonstrates excellent impedance matching and radiation characteristics, with the measured results closely matching the simulated performance.
ConclusionsThe proposed antenna has the advantages of high gain, low profile and simple control. Its radiation direction can be dynamically adjusted according to the communication needs of ships in order to reduce signal interference and improve communication quality.
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Keywords:
- patch antenna /
- directional patterns (antenna) /
- pattern reconfigurable /
- high gain /
- PIN diodes
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0. 引 言
近年来，随着无线通信技术的快速发展，对通信设备集成度的要求日益增加，舰船通信系统环境复杂，干扰严重，无线通信设备需要适应更加复杂多变的环境。方向图可重构天线可以根据舰船的姿态和位置，动态调整天线的辐射方向，保持与通信目标的稳定连接；同时，可通过动态调整天线方向以减少来自其他方向的干扰信号，增强舰船通信系统的抗干扰能力；此外，在某些场景中，可能只需要在特定方向上进行通信，方向图可重构天线可以配置为在特定方向提供增强的辐射，从而提高通信质量和稳定性。
在最近的研究中，有4种类型的方法可以实现波束重构。第1种是通过机械方法改变天线的几何形状，从而改变天线的电流分布。Li等[1-2]提出2种由机械控制的可重构天线，但机械调节会引入较大的机械误差，无法实现精确的波束指向。第2种是控制馈电相位以改变天线的辐射方向图[3-5]。然而，相控阵天线往往结构复杂、成本高昂，且馈电系统庞大，限制了其在通信系统中的应用。第3种是使用特殊材料改变天线波束指向[6-8]。Yang等[6]利用液态金属填充介质层实现波束重构；Sumana等[7]使用形状记忆合金来实现双向辐射。然而，特殊材料通常较为稀缺且价格昂贵，使其难以在工程中大规模应用。第4种是通过切换馈电网络来控制天线中加载的PIN二极管的导通/截止状态，以实现模式可重构功能[9-20]。Chen等[9]设计的方向图可重构天线，其主波束可以在E面上沿5个方向切换，但天线的结构复杂，且立体天线的高剖面不利于在通信系统中与其他部件共形。而Deng等[11]设计的方向图可重构天线则可以实现4种不同的辐射模式，且每种辐射模式下波束的形状不同，获得的增益大小也不同，但工作带宽较窄，适用频段较少。
基于此，本文将提出一种具有方向图可重构功能的新型天线，通过控制加载在中心贴片和扇形单元之间的PIN二极管，实现4种不同方向的波束指向。在此基础上，将添加12个寄生单元作为反射器或引向器，减小天线辐射波束的副瓣，增大天线的辐射增益。将有助于天线抵抗外界的干扰，增强天线的信号传输能力和稳定性，提高通信质量。
1. 天线设计与分析
1.1 天线结构设计
天线的几何结构如图1所示。贴片部分被印刷在介电常数为2.2、损耗正切角为0.001的PTFE单层基板上。整个天线尺寸为80 mm×80 mm×4 mm。天线俯视图如图1（a）所示，其上辐射表面由1个中央贴片、4个扇形贴片以及若干个弧形寄生单元组成；图1（b）为天线侧视图，天线由位于底部中央的SMA同轴接口向上表面的中央贴片馈电。扇形单元的半径约为5.8 GHz频率下的半波长。天线由50 Ω同轴线馈电。焊接在中央贴片和扇形贴片之间的4个PIN二极管（PIN 1～PIN 4）用于控制扇形元件上的电流分布。优化后的天线参数值如表1所示。图1中，L为介质基板的边长，R1为从天线中心到扇形贴片外弧的距离，R2为从天线中心到第1层弧形寄生单元外弧的距离，R3为从天线中心到最外层弧形寄生单元外弧的距离，D1为扇形贴片和第一层弧形寄生单元之间的间距，D2为第一层弧形寄生单元与最外层弧形寄生单元之间的间距，Rl1为天线中心到深色部分寄生单元内弧的距离，Rl2为天线中心到深色部分寄生单元外弧的距离，W1为中央圆形贴片的半径，α为扇形贴片的圆心角，β为深色部分寄生贴片的圆心角，h为介质基板厚度。
表 1 天线优化参数Table 1. Optimized parameters of the antenna参数 数值 参数 数值 L/mm 80 Rl1/mm 9 R1/mm 21.4 Rl2/mm 21 R2/mm 29.4 W1/mm 1.5 R3/mm 38.4 α/(°) 60 D1/mm 3 β/(°) 25 D2/mm 3 h/mm 4 该天线可以通过改变PIN二极管的导通/截止状态来实现方向图的重构。本文采用的PIN二极管型号为MADP-000907-14020P，通过控制电源电压来切换PIN二极管的导通/截止状态，以实现多种重构模式。表2列出了天线在4种工作模式下PIN二极管的导通/截止情况，每种模式均为仅导通一处PIN二极管，其余3个二极管均处于截止状态。
表 2 天线的4种工作模式Table 2. Four operating states of the antenna工作模式 PIN 1 PIN 2 PIN 3 PIN 4 模式1 导通 截止 截止 截止 模式2 截止 导通 截止 截止 模式3 截止 截止 导通 截止 模式4 截止 截止 截止 导通 天线的等效电路图如图2所示。馈电单元中R为电阻值为50 Ω的同轴线。中心贴片可以等效为由Ra，Ca和La组成的RLC有损并联谐振电路[21]。类似地，寄生贴片也可以等效为由Rb，Cb 和Lb组成的RLC并联电路。中心贴片和寄生贴片之间的耦合等效为电容Cp。Cs为上表面金属贴片和接地板之间的耦合电容。天线接地板由整个金属片组成，因此它也可以等效为由Rg，Cg以及Lg组成的并联谐振电路[22]。
Y1=1Ra+jωCa+1jωLa (1) Y2=[1jωCp+(1Rb+jωCb+1jωLb)−1]−1 (2) Y3=[1jωCs+(1Rg+jωCg+1jωLg)−1]−1 (3) Yin=Y1+Y2+Y3 (4) 式中： Y1为中央贴片的导纳； Y2 为寄生单元的导纳；Y3为接地板的导纳；Yin为整个等效电路的输入导纳。Yin可以通过式（1）～式（4）计算，经过最终优化得到的天线等效电路参数为Ra=140 Ω，Ca=0.95 pF，La=0.44 nH，Cp=0.7 pF，Rb =60 Ω，Cb=0.5 pF，Lb=0.78 nH，Cs=1.5 pF，Rg=65 Ω，Cg=0.4 pF，Lg=0.8 nH。
图3为天线在5.8 GHz谐振频率处4种工作模式下的电流分布。如图3（a）所示，当天线工作在模式1时，可以看到电流主要集中分布在方位角为45°的扇形贴片上。电流从中央贴片流经处于导通状态的PIN二极管，流向扇形单元，使得该扇形单元的电流明显强于其他3个扇形单元。由于耦合效应，其他未导通的扇形贴片上也会有一些微弱电流。同样，如图3（b）～图3（d）所示，电流主要分布在方位角分别为135°，225°和315°的扇形单元上。由于天线结构的对称性，当PIN二极管的状态改变时，天线的工作频带、辐射增益和其他特性均可以保持良好的稳定性，仅辐射波束指向发生改变。
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图 3 不同模式下天线表面电流分布Figure 3. Antenna surface current distribution under different states1.2 天线演化与对比
图4展示了天线上表面贴片结构的演化过程。图4（a）为天线的原始结构，其方向性较弱且增益较低。因此，为提高天线对辐射波束的反射效率，在扇形贴片之间加载寄生贴片作为反射器，如图4（b）所示。接着，为增强天线的方向性，在扇形贴片外侧分别加载了4个弧形寄生单元作为引向器，如图4（c）所示。最后，为进一步提高天线的波束指向性能并减小旁瓣，在图4（c）的基础上再次添加4个弧形引向器，最终形成如图4（d）中的天线结构。根据八木天线的原理，PIN二极管导通方向的扇形贴片可以看作八木天线中的有源振子，其前方加载的2个弧形寄生单元作为引向器，其余3个PIN二极管断开方向的扇形单元以及加载在扇形贴片之间的寄生单元充当反射器。当有源振子接收到由同轴馈电端口发送的信号时，它会产生电磁场，并将能量传输到周围的空间。反射器的存在使得反射的信号能够在有源振子和反射器之间形成相干叠加，从而增强天线的方向性和增益。引向器在其中进一步引导并形成定向的辐射模式，有效提升天线增益，实现对特定频率信号进行聚焦和放大，提高信号的接收或传输效率。
由于该天线结构的对称性，本文每种结构均只对模式1进行讨论。图5展示了当PIN1导通时，4种天线结构在谐振频率下方位角平面上的二维辐射方向图，方向图0°方向对应于天线结构的y轴正方向。可以看出，加载寄生单元和弧形引向器后，天线辐射方向图的旁瓣明显减小，方向性显著提高。这是因为寄生贴片和未导通的扇形单元一起充当反射器，将辐射能量反射到二极管导通的扇形单元的方向，从而使电磁能量更加集中，波束指向更精确。
图6为天线1～天线4在工作频段增益随频率变化的曲线。可以看出，加载弧形寄生单元后，天线的增益得到显著提高。天线1的平均增益仅为5.1 dBi，而天线4的平均增益增加到7.9 dBi，这是由于PIN二极管导通的扇形单元前面的弧形贴片起到了引向器的作用。根据八木天线的原理，引向器对感应信号呈容性，感应电磁波向主振子方向辐射，与主振子信号叠加，使天线增益得到提升。总的来说，反射器能够有效消除天线副瓣，并和引向器共同增强对前方信号的灵敏度，使天线具有强方向性，提高天线增益。
2. 参数分析
对天线参数进行分析，以了解各个参数对天线性能的影响。本节中，仍以模式1为例来讨论天线参数对天线性能的影响。
扇形贴片的半径R1对天线回波损耗的影响如图7所示。图中，S11为天线的回波损耗。
可以看出，R1的大小对天线回波损耗具有显著影响。当R1的长度改变时，辐射器的电长度将发生改变，因此谐振频率和阻抗带宽也会随之改变。此外，中心圆形贴片与扇形贴片发生耦合，圆形贴片可以用作驱动贴片来激励扇形单元的TM02模式。扇形单元TM02模式的工作频率fTM02为环形扇形的外半径Rout与内半径Rin之差所对应的频率，由式（5）[23]计算：
fTM02=c2(Rout−Rin)√εr (5) 式中：εr为介质基板的介电常数；c为真空中光速。
随着R1的增加，天线的谐振点向低频方向移动。由图7可以看出，当R1=21.4 mm时，天线的谐振频率为5.8 GHz，此时阻抗匹配最佳。
图8为弧形寄生单元与扇形单元之间的间距D1对天线回波损耗的影响，当D1＝2 mm时，扇形单元与弧形寄生单元之间的距离较窄，导致扇形单元边缘的强电流与弧形寄生单元发生耦合，相当于增加了辐射器的电气长度，导致谐振频率向低频方向移动。当D1增加到3 mm时，天线恰好在5.8 GHz处达到谐振。当D1进一步增加时，2个贴片之间的间隔太宽，导致阻抗匹配不佳。
3. 仿真和测试结果
为验证所设计天线的工作性能，探索仿真与测试结果的一致性，对天线进行了加工和测试。图9为加工后的天线实物及其测试场景，通过控制模块控制天线上PIN二极管的通断。在微波暗室中进行天线的端口性能和方向图测试。
如图10所示，仿真和测试的天线回波损耗在4种工作模式下均匹配良好，仿真和测量的−10 dB阻抗带宽百分比分别为10.34% （5.5～6.1 GHz）和10.07% （5.47～6.05 GHz）。
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图 10 天线回波损耗仿真与实测结果Figure 10. Simulation and measured results of antenna reflection coefficient图11对比了该天线xoy平面的归一化辐射方向图的仿真和测试结果。该天线辐射方向图的测量结果与仿真结果相吻合。从图11中可以看出，天线主波束方向可以实现方位角平面即xoy平面45°，135°，225°和315°共4角度的偏转，且4个方向的辐射波束除偏转角度外其余性能基本保持一致。
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图 11 天线辐射方向图仿真与测试结果Figure 11. Simulation and measured results of directional patterns图12为仿真与实测的增益结果对比。从图中可以看出，测得的增益与仿真结果较为一致，4种模式下平均增益约为7.46 dBi，实测增益比仿真增益平均低0.44 dB，工作频段内实测最大增益为8.68 dBi。
表3对比了本文所提天线与已有文献报道天线的各方面性能。为了对比工作在不同频段的天线尺寸参数，表3的天线尺寸（长×宽）将以天线中心频率所对应的波长λ0为基准进行表述。对比发现，本文提出的天线带宽较宽、增益高，且开关数量较少，结构简单。然而，由于准八木天线在每个扇形辐射贴片的前端还加载了2个弧形寄生单元作为引向器，使得天线在获得高增益的同时尺寸也有了一定程度的增加，后续可通过贴片开槽等方式来缩小天线体积，实现天线的小型化。
表 3 本文天线单元与已发表的相关天线的性能比较Table 3. Performance comparison among this paper and related antennas in published literatures4. 结 论
本文提出了一种适用于舰船通信系统的高增益方向图可重构天线。通过切换扇形单元和中央馈电贴片之间的4个PIN二极管的导通/截止状态，所提出的天线能够实现4种不同的辐射方向图。通过加载弧形寄生单元，可以有效提高天线增益。测试结果表明，天线的工作频段为5.47～6.05 GHz，阻抗带宽百分比达到10.07%，平均增益为7.46 dBi。该天线具有高增益、低剖面、低成本、易于控制等优点，可以很好地应用于现代舰船无线通信系统。随着现代无线通信技术对天线小型化需求的日益增长，本文所提出的天线结构在尺寸方面仍具有优化空间。可以通过引入缺陷地结构、加载集总元件、采用曲流技术或选用介电常数较大的介质基板等方法，进一步实现该天线的微型化设计，从而满足现代通信系统对紧凑型天线的迫切需求。
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图 3 不同模式下天线表面电流分布
Figure 3. Antenna surface current distribution under different states
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图 10 天线回波损耗仿真与实测结果
Figure 10. Simulation and measured results of antenna reflection coefficient
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图 11 天线辐射方向图仿真与测试结果
Figure 11. Simulation and measured results of directional patterns
表 1 天线优化参数
Table 1 Optimized parameters of the antenna
参数 数值 参数 数值 L/mm 80 Rl1/mm 9 R1/mm 21.4 Rl2/mm 21 R2/mm 29.4 W1/mm 1.5 R3/mm 38.4 α/(°) 60 D1/mm 3 β/(°) 25 D2/mm 3 h/mm 4 
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表 2 天线的4种工作模式
Table 2 Four operating states of the antenna
工作模式 PIN 1 PIN 2 PIN 3 PIN 4 模式1 导通 截止 截止 截止 模式2 截止 导通 截止 截止 模式3 截止 截止 导通 截止 模式4 截止 截止 截止 导通
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表 3 本文天线单元与已发表的相关天线的性能比较
Table 3 Performance comparison among this paper and related antennas in published literatures
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