单馈可重构极化印制单极天线
M.H.Amini,H.R.Hassani,S.Mohammad ali nezhad
Shahed大学电气和电子工程系
波斯湾公路，伊朗德黑兰
mh.amini@shahed.ac.ir，hassani@shahed.ac.ir，alinezhad@shahed.ac.ir
摘 要
本论文提出了一种单馈激励的双极化可重构印制单极天线。这种结构由传统的单极天线由微带传输线供电。在衬底的另一侧面上有一个接地平面，其中形成一个狭窄的L形槽。整个天线被设计为工作在无线局域网频段5.8 GHz。使用一对PIN二极管，一个沿着微带线，另一个沿着L形槽，并且通过切换PIN二极管，可以获得水平或垂直极化。所提出的天线位于FR4基板上，尺寸为。
关键词：双极化,可重构,单极,槽,PIN二极管
1绪论
偏振可重构印刷天线在过去几年引起了不少关注。每个通信系统可能处理的现象是多径衰落。通过极化分集，可以改善这种衰落。双极化天线也可以增加信道容量。
在文献[1]中介绍了一种二极化可切换微带天线，其中由两个PIN二极管在LHCP，RHCP和两个正交线性极化之间切换极化。在[2]中提出了一种具有可重构极化的紧凑型U型槽微带贴片天线。PIN二极管被正确定位以改变U形槽臂的长度，这导致极化分集。在文献[3]中报道了一种可切换极化的缝隙天线，从而实现了圆极化和线极化。[4]中也提出了一种CPW馈电的方形隙缝天线。通过使用两个PIN二极管，偏振在LHCP和RHCP之间可切换。在[5]中设计了一种可重构的极化缝隙天线。通过调整两个PIN二极管的垂直极化并实现水平极化。
根据本文作者的了解，在公开文献中没有提供具有极化分集的单馈电单极天线的论文。在本文中描述了由单极天线和提供双极化的窄L形缝隙天线组成的印制天线。由微带传输线馈电的天线和用于无线局域网（WLAN）的具有工作在5.8GHz的两个PIN二极管。通过将两个PIN二极管置于适当的位置，并将它们切换到“接通”或“断开”状态，可以控制偏振方向。垂直极化由常规贴片激励，具有-104dB的回波损耗带宽1.4GHz，而水平极化被槽激励并具有-10dB的带宽1.5GHz。在两种极化条件下，通过这种设计获得良好的全向图案。仿真结果由市售软件包HFSS进行。
2天线设计
所提出的天线的结构如图1所示。天线印刷在尺寸为的FR4基板上，厚度为1mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。辐射元件由传统的单极天线和在地平面上形成的窄L形槽组成。两根天线都通过一根微带传输线馈电。单极天线产生垂直极化，而缝隙天线提供水平极化。为了每次都有一种极化感，应用两个PIN二极管，一个沿着微带传输线放置，另一个沿着槽的中心放置。通过正确切换PIN二极管，可以退出其中一个辐射元件，并且可以实现一种极化情况。
当二极管1和二极管2都导通时，电流通过微带传输线流过贴片。为了获得所需的谐振频率，我们应该选择W2的长度
（1）
注意将二极管2转到“ON”状态，导致L形槽不以所需的5.8GHz频率谐振。图2显示了衬底上表面上的电场矢量。如该图所示，电场在贴片的位置上沿x方向取向。所以在这种情况下可以实现垂直极化。
由于将端口的输入阻抗与50欧姆匹配，因此将应用插入馈电。事实上，S2的大小与单极天线的反射系数的大小成正比。图3中为单极天线的反射系数绘制。从图中可以发现，单极天线在5-6.4 GHz工作，并适用于WLAN。该天线在5.8 GHz的中心频率下的反射系数为-22 dB。
当两个PIN二极管都进入“OFF”状态时获得另一极化。在将二极管1和二极管2的状态切换到“OFF”时，电流路径仅限于L形槽。L形槽由两部分组成，水平部分和垂直部分。L形槽的水平部分长度为S5，垂直部分长度为W3。请注意，提供水平偏振的元件是L形槽的垂直部分。为了激励长度为W3的L形槽的这部分，必须改变电流分布。这通过应用L形槽的水平部分来完成。实际中长度为S5的L形槽的水平部分导致电流分布到L形槽的垂直部分并导致后者发生辐射。另一方面，垂直槽必须由高幅度的电流激励。因此，水平插槽的位置也很重要，并且必须在电流具有最大幅度的位置创建此插槽。图4显示了天线地平面上的电流分布，不存在槽，并且此时二极管1“OFF”。如图所示，电流在馈电点附近具有高振幅。所以槽的水平部分相对于由S6的长度确定的进给点的最佳位置是2.5mm。为了获得所需的谐振频率，必须满足等式（2）：
（2）
图5表示FR4基片底面的电场分布。从图中可以看出，电场取向在y方向，表明水平极化被激发。表1显示了具有相应极化的PIN二极管的状态。通过改变参数S5的大小将发生阻抗匹配。注意到L形槽的水平长度与其垂直部分产生相反的偏振。事实上，增加S5的长度会引起垂直极化，然后S5的长度不应该太长，因此为了获得更好的交叉极化，在这种情况下，必须优化S5的长度。在表2中示出了参数L1，W1，L2，W2，S1，S2，L3和W3的值。
缝隙天线的反射系数如图3所示。从图中可以看出，缝隙天线的中心频率的反射系数为-24 dB。缝隙天线在覆盖WLAN频段的5.3-6.8 GHz频段上工作。图6显示了单极天线的辐射方向图和5.8 GHz的缝隙天线的辐射方向图。从这个图中可以发现，极化的多样性是很好的实现的。如该图所示，单极天线的E平面图案是双向的，而缝隙天线的E平面图案是全向的。此外，单极天线的H平面图是全向的，而缝隙天线的H平面是双向的。注意到在两个极化处都获得了良好的全向图案。
3结果与讨论
本文提出了一种单馈入可重构极化印刷单极天线。所提出的天线由单极贴片和在地平面上形成的窄L形槽组成。天线设计为5.8 GHz无线局域网。通过将两个PIN二极管切换至“接通”或“断开”状态，实现双正交线性极化。单极天线产生垂直极化，而缝隙天线提供水平极化。单极天线和缝隙天线分别工作在5-6.4GHz和5.3-6.8GHz。通过这种设计可以实现良好的全向模式。
模式可重构水载MIMO天线
Ya-Hui Qian Qing-Xin Chu
华南理工大学电子信息工程学院，中国广东广州
联系方式
Qing-Xin Chu，华南理工大学电子与信息工程学院，中国广东广州
Email：qxchu@scut.edu.cn
摘 要
本论文提出了一种基于水负载新型辐射模式可重构多输入多输出（MIMO）天线。通过改变装载和卸载寄生元件表面上的蒸馏水的情况，寄生元件的功能可以在导向器和反射器之间切换。根据八木天线原理，天线通过电磁耦合寄生元件在方位平面中产生定向辐射图。在功率增益13dBi左右上能够有一个良好的方向。MIMO天线由2个相互垂直的相同元件组成。因此，通过正交双极化天线元件可以获得MIMO元件之间的高隔离度（gt; 35 dB）和低包络相关系数（ lt;0.0001）。测量结果和模拟结果之间达到吻合。
关键词：双极化，多输入多输出（MIMO）天线，模式可重构，水天线，八木天线
1绪论
模式可重构天线提供了动态改变辐射模式的能力，引起了人们的广泛关注。它们对于在过去十年中具有不同要求的现代无线通信系统起到很大作用。通过操纵天线的辐射模式，可以改善通信的质量和安全性。不仅可以避免噪声源，而且可以将最大辐射的方向动态地导向所需的方向。近年来，人们对模式可重构天线的研究做出了很多努力。一般来说，使用不同的固态有源开关（如PIN二极管，变容二极管和微机电系统）已经实现了模式多样性。实现开关模式的常用方法之一是使用寄生元件。通过控制开关，可以在反射器和导向器之间改变寄生元件的功能。在参考文献5中通过镂刻寄生元件上的可切换槽，寄生元件可以作为反射器或导向器来实现八木贴片天线的可重构特性。参考文献6中也描述了类似的方法；2个寄生元件放置在中心驱动元件的两侧，相对于中心条可以加长或缩短。该设计通过控制开关来控制辐射模式。
目前，模式可重构已经在多输入多输出（MIMO）系统中发现潜在的应用，以增强系统信道的性能。近来，液体材料在可重构天线中的应用已成为热门。对于传统的固体调谐组件，在功率处理能力，非线性调谐和低辐射效率上一定程度限制了它们的应用。基于液体的可重构天线有望解决这些不足。例如，在参考文献8中通过拉伸聚合物基材，液态金属的有效长度以及谐振频率是可重构的。另一种方法是基于使用液态金属作为寄生导向器或反射器来引导天线射束通过其可变位置。在参考文献10中，介绍了一种频率和模式可调八木单极阵列。尽管液态金属可重构天线被广泛使用，它们会溶解与之接触的固体金属，并且相对昂贵。作为一种特殊的液体材料，水有许多优异的特性，如成本低，易获得，安全等。在0.6到3GHz的频段内，蒸馏水可以被认为是不完美的电介质。在参考文献12中，用空气，丙酮，或具有不同介电常数的去离子水会改变天线的谐振频率。
在本课题中，提出了一种基于八木宇达结构的模式可重构MIMO天线。将蒸馏水加载在2个驱动偶极子周围的寄生元件上，通过改变寄生元件的有效介电常数来提供射线的可调性。此外，2个驱动偶极天线正交定位用于MIMO应用。由于正交极化，所提出的天线获得高隔离度和较低的包络相关系数。
2天线设计
所提出的天线的基本配置如图1所示。两个相同的半波长偶极子作为彼此正交放置的驱动元件，并贴面在FR-4基板（，厚度50.8毫米）的底部。两对寄生元件分别对称地布置在2个偶极子的两侧。2个驱动偶极子由2个同轴馈电激发。 对于每个部分，同轴馈电的内导体连接到一个臂，外导体连接到另一个臂。四个相同的由丙烯酸塑料制成的支架（）分别放置在4个寄生元件上。每个支架都有一个用于注水和抽水的孔。四个尺寸相同的支架。驱动偶极子的长度和宽度分别为和。相同尺寸的4个寄生元件的尺寸为，比驱动元件小。系统的整体尺寸包括支架的厚度为2002007.8mm。
在此设计中，蒸馏水优选用于开关元件来控制辐射束。蒸馏水在室温下具有约78的相对介电常数。通过改变有效介电常数，将蒸馏水放置在带上可增加电长度。因为导向器的作用，寄生元件比驱动元件短。但是，将蒸馏水注入支架时，寄生元件的电长度会增加。随着注入水量的增加，导向器切换到反射器。为了获得四个相同的定向辐射，4个寄生元件具有相同的尺寸。从动元件与寄生元件之间的距离为，它控制耦合能量。
所提出的天线的可控辐射特性是通过改变可重构为导向器或反射器的寄生偶极子元件的特性来实现的。通过在不同的寄生元件上装载或卸载水，辐射图有6种状态，如表1所示。对于每个从动元件，有1个导向器和1个反射器来实现定向辐射。如表1所示，当MIMO元件1被激励时，元件2终止于具有50的负载，主光束可被切换到区域1或/和区域3。由于寄生元件1被蒸馏水覆盖，寄生元件1变成反射器而寄生元件3充当导向器，在区域3中实现主束点。另外，当寄生元件1和3两者都没有水负载时，区域1中的光束与区域3的光束对称。表1总结了天线的整个工作状态。
高频结构仿真软件用于指导和优化设计。有3个关键参数对最大方向性有显着影响。通常，从动元件与寄生参数（）之间的距离介于与之间。在此设计中，距离针对尽可能小的尺寸进行了优化。寄生元件（）的长度略短于谐振长度，在这种设计中，毫米的最佳值。蒸馏水的尺寸是动态控制辐射模式的可调参数。蒸馏水的厚度和覆盖面积都会影响有效介电常数;因此，水负载寄生元件的特性也受到影响。水的尺寸是变化的，以获得最高的方向。最终尺寸设计为毫米。
3结果与讨论
为了验证理论设计，所提出的天线如图2所示被制造和测试。原型天线的尺寸（毫米）优化如下：，，，，，，，，。
图3描述了5波束可重构八木天线的仿真和测量S参数。发现由于反射器的影响，设计加载水的共振频率比卸载时低。由于结构的对称性，模拟||和|| 对于4个方向辐射情况是相同的。因此，我们只给出区域1的模拟S-参数来表示区域2-4的模拟结果。同时，对于卸水情况，我们只给出1个极化的模拟S参数。发现测得的谐振频率低于模拟结果，可能是由于制造误差和测试误差造成的。如图3所示，对于每种情况，MIMO天线元件之间的模拟和测量隔离（||）高于35 dB，这意味着MIMO元件1和2独立工作以改善信道容量。
图4显示了6个状态的模拟和测量归一化辐射图。这6个状态分别对应于表1中给出的状态。我们可以观察到，在寄生元件上加载蒸馏水会产生方向辐射图。主光束指向未加载的寄生元件。另一方面，功率增益达到13 dBi。它还表明，对于每个开关状态，从动元件1和元件2的辐射方向具有正交辐射图。正交重构的辐射图提供了低互耦和高隔离的能力。
图5给出了所提出的MIMO天线的模拟和测量增益和天线效率，其中2种情况。可以观察到模拟和测量结果之间的良好一致性。图5A描述了当水负载1个作为反射器的寄生元件时具有定向辐射的MIMO天线的结果，而图5B显示了在没有加载水的情况下进行1次极化的结果。为了简单起见，我们只是给出了每种情况下由于对称结构而加载和卸载水的状态的增益和天线效率的结果。通过比较，我们观察到定向天线实现的峰值增益高于卸载天线的峰值增益。结果表明，对于定向天线，MIMO天线的测量峰值增益在整个工作频带上大于5.5 dBi。在天线的工作频带内，模拟和测量结果的效率均达到60％。
在分集式天线设计中，MIMO技术允许线性增加系统信道容量并防止多径衰落。同时，为了增强信道容量，要求低包络相关系数和高隔离度。为了评估MIMO的性能，研究了包络相关系数相关性。
通常使用辐射图13来计算2个元件之间的包络相关系数;但是为了简化，我们选择了一个简化的近似方法来计算包络相关系
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