基于圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)的圓極化可重構(gòu)微帶天線設(shè)計(jì)

李 媛，韓康康，李建蘭，葉春暉

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

天線作為一種用來(lái)發(fā)射或接收無(wú)線電波的部件，在無(wú)線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用．隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，對(duì)天線的要求越來(lái)越高．一方面要求天線具有寬頻帶、多功能、多業(yè)務(wù)融合等特點(diǎn)，另一方面又要求天線的體積小、質(zhì)量輕、成本低．從而提出了可重構(gòu)天線的概念并迅速得到發(fā)展．可重構(gòu)天線的基本思想是共用同一個(gè)天線口徑，通過(guò)電控開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)變換天線結(jié)構(gòu)，并實(shí)時(shí)改變通用口徑中的電流分布，從而獲得所需要的天線特性．故每個(gè)可重構(gòu)天線可等效為共用一個(gè)輻射單元的多副天線，使多天線的結(jié)構(gòu)十分緊湊[1-2]．

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)可重構(gòu)天線的研究已取得了很大進(jìn)展，獲得了眾多研究成果[3-5]．如在實(shí)現(xiàn)方法上可通過(guò)改變天線單元的結(jié)構(gòu)或是通過(guò)改變天線外部的饋電網(wǎng)絡(luò)使天線具有可重構(gòu)的特性．這樣可以通過(guò)切換天線不同的狀態(tài)使天線具有多種工作模式，利用無(wú)線多徑信道的空間自由度提高系統(tǒng)容量與傳輸速率．因此，可重構(gòu)天線作為一種新型天線在陣列天線中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，將成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一．

可重構(gòu)天線按功能可分為頻率可重構(gòu)、方向圖可重構(gòu)、極化可重構(gòu)和多參數(shù)可重構(gòu)天線．極化可重構(gòu)天線由于能增加獨(dú)立的收發(fā)信道而不增加天線體積，尤其適用于體積受限的移動(dòng)終端，因此引起了越來(lái)越多的關(guān)注．圓極化天線由于不存在極化失配現(xiàn)象，更容易獲得相關(guān)性較低的平衡接收功率而呈現(xiàn)較大優(yōu)勢(shì)．一對(duì)左旋圓極化(left hand circular polarigation，LHCP)波和右旋圓極化(right hand circular polarigation，RHCP)波互為交叉極化，理想情況下一對(duì)互為交叉極化的波是互相隔離的，即用LHCP的天線是無(wú)法接收 RHCP來(lái)波的信號(hào)，反之亦然[6-7]．利用交叉極化隔離特性可在相同空間內(nèi)設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的獨(dú)立收發(fā)信道，可減小天線體積．因此，采用圓極化可重構(gòu)天線能在相同體積下增加無(wú)線信號(hào)的收發(fā)通道，有利于后端空時(shí)信號(hào)處理，被認(rèn)為是提高通信容量的有效方法[8-9]．而展寬圓極化天線頻帶寬度是提高其實(shí)用價(jià)值的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)天線寬頻帶和小型化的研究重點(diǎn)，針對(duì)這方面已開(kāi)展了許多研究，但是在槽縫結(jié)構(gòu)上多采用單一的矩形縫結(jié)構(gòu)[10]．例如，Marc等[6]提出的雙饋電調(diào)諧短截棒結(jié)構(gòu)，Yang等[11-12]設(shè)計(jì)的在矩形貼片上開(kāi)兩個(gè)交叉的槽并在槽縫上添加開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，還有 Sung等[13]提出的在方形貼片上切角等方案均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了左右旋圓極化可重構(gòu)的功能．之后，F(xiàn)ries[14]設(shè)計(jì)的一種帶有微擾的圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)的微帶天線實(shí)現(xiàn)了線極化和圓極化的多極化可重構(gòu)．正是由于圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上的高度對(duì)稱(chēng)性，使其匹配問(wèn)題容易解決，且設(shè)計(jì)起來(lái)比較簡(jiǎn)單[15]．

筆者采用圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了左、右旋圓極化可重構(gòu)天線，提出了在天線接地板上添加十字形槽拓展天線帶寬的方法，并證明這種方法在不顯著增加天線體積情況下，能使天線帶寬提高1倍．

1 圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)天線

圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)天線是圓極化天線的典型結(jié)構(gòu)．下面對(duì)圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱(chēng)環(huán)縫結(jié)構(gòu)，如圖 1所示)的頻率特性進(jìn)行分析．環(huán)縫結(jié)構(gòu)天線是一種微帶結(jié)構(gòu)，基片的一面是接地板，上面開(kāi)了一個(gè)環(huán)形縫隙，另一面用開(kāi)路微帶線饋電，其坐標(biāo)系如圖2所示．

圖1 用微帶線饋電的微帶環(huán)縫天線Fig.1 Ring slot antenna with microstrip feeder

圖2 圓環(huán)縫隙及其坐標(biāo)系Fig.2 Ring slot and its coordinate

理論上，在無(wú)限大導(dǎo)電平板上的環(huán)形縫隙，可看成是面磁流的環(huán)形分布，可表示為

式中：Ea是口面電場(chǎng)；n是垂直于口面的單位矢量．環(huán)縫天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖根據(jù)電矢量位法計(jì)算求得，假設(shè)接地面無(wú)限大，不考慮邊沿繞射場(chǎng)的影響，遠(yuǎn)區(qū)電場(chǎng)的Eθ和Eφ分量可按兩種情況分別求出．

窄縫情況Ⅰ：即 ω ＜＜ω0，且Eφ′=0，Eρ= 常數(shù)=E0，則

近似求解縫隙內(nèi)的場(chǎng)分布，等效為求解環(huán)形均勻分布磁流元的場(chǎng)分布．

窄 縫 情 況 Ⅱ ：即 ω ＜ ＜ ω0，且 Eφ′= 0 ，Eρ= E0?cosnφ ′ ，則

這樣當(dāng)0φ′=和πφ′=時(shí)，環(huán)縫內(nèi)的場(chǎng)主要集中分布在相應(yīng)的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)．從式(4)和式(5)中可以看出，當(dāng)01ak= 時(shí)，環(huán)縫天線工作在基模狀態(tài)．這時(shí)天線在垂直于環(huán)縫所在平面的方向上增益最大，即天線方向圖主瓣指向這一方向．隨著模式的增高，天線的表面波和高次模激勵(lì)將嚴(yán)重影響天線的軸比情況．如要獲得良好的軸比，在設(shè)計(jì)時(shí)要求天線工作在低階模式以及基模狀態(tài)．用HFSS仿真軟件對(duì)環(huán)縫天線進(jìn)行仿真可知，環(huán)縫天線工作在基模狀態(tài)時(shí)，在其內(nèi)半徑約等于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)諧振，環(huán)縫半徑越大，基片尺寸越大，則工作頻率越低．

由式(4)和式(5)可知，環(huán)縫內(nèi)場(chǎng)主要集中分布在φ′=0和φ′=π相應(yīng)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)．研究表明在天線接地板相應(yīng)區(qū)域的環(huán)縫上添加矩形槽或十字形槽(如圖3、圖 4所示)可以明顯改變天線輸入阻抗匹配狀況，顯著增加天線的帶寬．圖1中天線大小為32,mm×34,mm、基板厚度為0.8,mm、環(huán)縫內(nèi)半徑 rb＝8.5,mm、環(huán)縫外半徑ra＝10.5,mm、圓環(huán)中心距饋電臂距離dl＝2,mm．圖 3在此基礎(chǔ)上加一個(gè) 2.0,mm的矩形槽，圖4是在圖 1的基礎(chǔ)上加一個(gè)槽寬為 1.5,mm十字形槽．用 HFSS軟件仿真對(duì)這 3種天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到 3種天線在 5,GHz附近的仿真 S11參數(shù)曲線，如圖5所示．

圖3 添加矩形槽的環(huán)縫天線結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of ring slot antenna with rectangular groove

圖4 添加十字形槽的環(huán)縫天線結(jié)構(gòu)Fig.4 Architecture of ring slot antenna with cross groove

圖5 3種結(jié)構(gòu)天線阻抗帶寬對(duì)比Fig.5 Comparison of impedance bandwidth of antenna of three kinds

通常認(rèn)為實(shí)際測(cè)量中S11＜-10 dB的帶寬即為天線帶寬[16]．從圖 5中可看出，在環(huán)縫天線上添加矩形槽或十字形槽后，在較寬的頻率范圍內(nèi)，天線輸入阻抗得到了比較理想的匹配，使天線帶寬顯著增加，相對(duì)阻抗帶寬從5%擴(kuò)展到20%以上，提高了4倍．這兩種擴(kuò)展天線帶寬的方法利用圓極化天線的交叉極化隔離特性，沒(méi)有增加天線體積，對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)也沒(méi)特殊的要求，有很強(qiáng)的可操作性．相比之下，添加十字形槽的天線頻率特性更好．

2 環(huán)縫結(jié)構(gòu)可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)與分析

為進(jìn)一步說(shuō)明添加十字形槽的方法對(duì)圓極化天線頻帶寬度的改善效果，設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)縫結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)天線，如圖6所示．

圖6 環(huán)縫結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)天線結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Architecture of reconfigurable antenna with ring slot

對(duì)天線饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)，將起到可重構(gòu)作用的饋電部分設(shè)置在 100,Ω饋線上，減小電磁波反射；僅采用兩個(gè)與環(huán)縫耦合的饋電臂，盡最大可能減小可重構(gòu)時(shí)多余的耦合部分．另外，采用倒角措施，避免了直角饋線處的反射等．圖 6中右端為特性阻抗為 50,Ω的中心饋線與激勵(lì)相連，序號(hào) 1～8為電控開(kāi)關(guān)的位置，可用 MEMS開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)．其工作方式為：通過(guò) MEMS開(kāi)關(guān)控制饋電部分“折線”和“直線”的切換，調(diào)整兩個(gè)饋電臂的長(zhǎng)度使得兩個(gè)饋電臂上相應(yīng)位置的電流幅值相等，一個(gè)饋電臂上電流相位超前或滯后另一饋電臂 90°，從而實(shí)現(xiàn)左、右旋圓極化的可重構(gòu)．當(dāng)開(kāi)關(guān) 3、4、5、6打開(kāi)，天線輻射右旋圓極化波；當(dāng)開(kāi)關(guān) 1、2、7、8打開(kāi)，天線輻射左旋圓極化波．設(shè)計(jì)中的相關(guān)參數(shù)為：基片介電常數(shù)rε＝4.4；tanδ＝0.02；厚度 h＝0.8,mm；基片尺寸為 26,mm×24,mm；環(huán)縫內(nèi)半徑 rb＝5.5,mm；環(huán)縫外半徑 ra＝7.5,mm；饋電臂長(zhǎng)度 lt＝6.2,mm；圓環(huán)中心距饋電臂距離 dl＝1.8,mm；兩饋電臂長(zhǎng)度差為 7,mm．計(jì)算得出相應(yīng)的S11參數(shù)、軸比(AR)曲線為圖7和圖8中虛線所示，方向圖如圖9所示．

圖7 十字形槽天線與原始天線S11參數(shù)曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of curves S11 between cross slot antenna and original antenna

圖8 十字形槽天線與原始天線的AR曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of caves AR between cross slot antenna and original antenna

圖9 可重構(gòu)天線的方向圖Fig.9 Pattern of reconfigurable antenna

為展寬頻帶，研究在圓極化可重構(gòu)天線上添加十字形槽結(jié)構(gòu)，在圖 6所示的環(huán)縫天線(環(huán)縫 2,mm)上添加寬度為 1.2,mm 的十字形槽(見(jiàn)圖 10)．通過(guò)對(duì)圖 10的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，得出相應(yīng)的 S11參數(shù)、AR曲線，如圖 7、圖 8中的實(shí)線所示．方向圖如圖11所示．從圖7、圖 8中可看出，未添加十字形槽之前，S11＜-15,dB的頻率范圍可從4.67,GHz到5.50,GHz，AR＜3,dB的范圍從4.75,GHz到5.20,GHz，天線相對(duì)帶寬在 8%以上，且其方向圖前后瓣是對(duì)稱(chēng)的，這與天線結(jié)構(gòu)相符．添加十字形槽之后天線的帶寬顯著增加，相對(duì)帶寬從 8%增加到 16%，提高了 1倍，明顯改善了天線頻率特性，提高了天線寬帶化、小型化的指標(biāo)．從圖 9和圖 11中可看出天線方向圖增益也有所改善，從原來(lái)的-4.2,dB到2,dB，在添加十字形槽以后改善為-5.4,dB,到 3,dB．

圖10 添加十字形槽后天線示意Fig.10 Antenna with cross groove

圖11 添加十字形槽后天線方向圖Fig.11 Pattern of antenna with cross groove

3 天線試驗(yàn)電路及測(cè)試分析

由于天線左、右旋圓極化結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的，其匹配問(wèn)題比較容易解決．選擇用相對(duì)介電常數(shù)為 4.4、厚度為 0.8,mm的介質(zhì)基板，按照?qǐng)D 10所示結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作一個(gè)工作頻率為 5,GHz的 RHCP可重構(gòu)天線(見(jiàn)圖 12和圖 13)．根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，此 RHCP結(jié)構(gòu)同樣能反映出LHCP的主要特性．環(huán)縫內(nèi)半徑rb＝5.5,mm，環(huán)縫外半徑ra＝7.5,mm，即環(huán)縫寬度為2,mm，十字形槽寬度為1.2,mm．圖14顯示了通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試得出改進(jìn)后的環(huán)縫天線的S11參數(shù)曲線圖與仿真所得的 S11參數(shù)比較結(jié)果，可以看出仿真與實(shí)測(cè)值基本吻合．改進(jìn)后天線的方向圖如圖15所示，與圖9和圖11相比，圖15中的方向圖形狀略有變化，這是由于實(shí)物天線的接地面有限，并存在較強(qiáng)的邊沿繞射和環(huán)縫輻射，對(duì)主輻射方向圖有調(diào)制作用，產(chǎn)生少量擾動(dòng)的結(jié)果．

圖12 添加十字形槽可重構(gòu)天線實(shí)物接地面示意Fig.12 Grounding surface of cross slot reconfigurable antenna

圖13 添加十字形槽可重構(gòu)天線實(shí)物饋線面Fig.13 Microstrip feeder surface of cross slot reconfigurable antenna

圖14 實(shí)測(cè)RHCP結(jié)構(gòu)S11參數(shù)曲線Fig.14 S11 curves of RHCP structure

圖15 5.00 GHz處同極化與交叉極化的方向圖Fig.15 Pattern of copolarization and cross polarization in 5.00 GHz

實(shí)測(cè)的阻抗帶寬為 4.45～5.50,GHz，可見(jiàn)天線頻帶寬度的改善效果顯著．在 4.75～5.45,GHz范圍內(nèi)，天線軸比均滿足要求，實(shí)測(cè)相對(duì)軸比帶寬為 14%．圖15為 5.0,GHz處同極化與交叉極化增益比較圖．利用交叉極化隔離特性能在相同空間內(nèi)增加天線結(jié)構(gòu)，減小了可重構(gòu)天線體積，圖 12中與圓極化可重構(gòu)天線對(duì)比的是一角硬幣，可以看出天線體積是相對(duì)較小的．

4 結(jié) 語(yǔ)

在改善圓極化可重構(gòu)天線頻帶寬度的基礎(chǔ)上，研究了在環(huán)縫天線上添加矩形槽或十字形槽擴(kuò)展天線帶寬的方法，并設(shè)計(jì)制作了一種基于圓環(huán)縫隙結(jié)構(gòu)的右旋圓極化可重構(gòu)天線，在天線接地板上添加了十字形槽．分別用HFSS軟件仿真和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測(cè)天線的頻率特性，通過(guò)比較天線頻率特性，其改善效果十分明顯，而且具有很強(qiáng)的可操作性．仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果均證明了這種方法在不增加天線體積的情況下，能將天線頻帶寬度提高 1倍．如果通過(guò)附加反射板的方法，還能進(jìn)一步提高天線增益．

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