一種頻率可重構(gòu)圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)

王麗黎，劉麗珍

(西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

隨著現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航和通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代無線通信、衛(wèi)星通信中的各種軍用和民用電子設(shè)備都朝著小型化[1]、寬頻帶[2-3]、高效率、易安裝的方向發(fā)展，可重構(gòu)天線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-5]。該技術(shù)通過在同一個天線上使用 PIN或 MEMS開關(guān)動態(tài)改變其天線結(jié)構(gòu)或尺寸，使其具有多個天線的功能[6-7]。

目前，微帶天線的頻率可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法有很多。參考文獻(xiàn)[8-11]雖然都是頻率重構(gòu)的微帶天線，但都不是圓極化微帶天線的頻率可重構(gòu)。參考文獻(xiàn)[12]通過在接地板上開槽實(shí)現(xiàn)了頻率可調(diào)的圓極化天線。

本文設(shè)計(jì)了一種頻率可重構(gòu)圓極化貼片天線，在不改變饋電點(diǎn)的情況下，利用電控開關(guān)改變方環(huán)形寄生單元與貼片連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。與參考文獻(xiàn)[8-11]頻率可重構(gòu)微帶天線相比，該天線是頻率可重構(gòu)的圓極化微帶天線，可接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并且此結(jié)構(gòu)具有尺寸小、剖面低、結(jié)構(gòu)簡單、便于開關(guān)的加載等特點(diǎn)。

1 可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)

由于自身電磁特性的原因，傳統(tǒng)的微帶貼片天線帶寬往往比較窄，拓展帶寬的一種方法就是附加寄生貼片[4]。本文采用在方形主輻射貼片周圍附加一方環(huán)形寄生貼片的方法，當(dāng)主輻射貼片在某一頻率諧振時，通過電磁耦合寄生貼片在主輻射貼片附近諧振，從而使天線帶寬明顯增加。在本文中頻率的可重構(gòu)是通過控制主貼片和寄生貼片的通斷來改變天線的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

圖1為本文設(shè)計(jì)的可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)，天線是由方形主貼片和一個方環(huán)形寄生貼片組成，相當(dāng)于在方形貼片上挖出了一個方環(huán)形縫隙。天線的具體尺寸為：介質(zhì)板選用相對介電常數(shù)εr為9.6的微波復(fù)合介質(zhì)，介質(zhì)板厚度 4 mm，尺寸為 L×L=66 mm×66 mm；主輻射貼片尺寸為 L2×L2=30.55 mm×30.55 mm； 寄生貼片尺寸為 L1×L1=36.4 mm×36.4 mm；縫隙的寬度均為 W=1.225 mm；天線采用四饋點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圓極化，饋點(diǎn)在離原點(diǎn)10.5 mm的位置。同時控制開關(guān)1、2、3、4即可實(shí)現(xiàn)頻率的可重構(gòu)。

圖1 可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)

饋電網(wǎng)絡(luò)是由3個威爾金森功率分配器構(gòu)成的，饋電網(wǎng)絡(luò)的地面與天線的地貼在一起，通過4個50 Ω底饋探針對貼片饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖2所示。1端口為輸入，2、3、4、5端口為輸出，離 1端口近的功率分配器一個輸出端經(jīng)過 1/2波長相移 180°接到離 4、5端口近的功率分配器，另一個輸出端不相移；另外兩個功率分配器都是一個輸出端口經(jīng)過1/4波長相移，另外一個輸出端不相移。這樣，4個輸出端的輸出就是幅度相等、相位依次相差 90°，即 0°、-90°、-180°、-270°，天線即可實(shí)現(xiàn)右旋圓極化波。每個威爾金森功率分配器在兩個輸出端之間還需要一個100 Ω的隔離電阻。饋電網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)板采用厚度為 0.8 mm、尺寸為 66 mm×66 mm、相對介電常數(shù)為2.65的聚四氟乙烯玻璃布板。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 天線的仿真分析

采用電磁仿真軟件HFSS 13.0對天線進(jìn)行仿真，為了方便仿真，將RF MEMS開關(guān)理性等效，即開關(guān)閉合時用金屬片代替，開關(guān)斷開時等效為斷路。當(dāng)開關(guān)斷開時，天線仿真結(jié)果如圖3所示；當(dāng)開關(guān)閉合時，天線仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖3可以看出，當(dāng)開關(guān)斷開時，天線接收GPS L1(1575±5 MHz)、GLONASS L1(1 602±5 MHz)和 BDS B1(1561±2 MHz）信號；S參數(shù)均≤-10 dB，右旋圓極化軸比在天線上半空間內(nèi)，均小于5.0 dB。

從圖4可以看出,開關(guān)閉合時天線接收 BDS B3(1 268±10 MHz)信號；S參數(shù)均≤-10 dB，右旋圓極化軸比在天線上半空間-70°≤θ≤70°內(nèi)，均小于 5.0 dB。

由圖3、圖4可以看出，天線的S參數(shù)在很寬的頻帶范圍內(nèi)都小于-10 dB，但在其他的頻段內(nèi)右旋圓極化軸比不能達(dá)到要求。天線增益由于功率分配器的分配而減小，外接低噪聲放大器來提高增益就可以達(dá)到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)天線的要求。

圖3 開關(guān)斷開時仿真結(jié)果

圖4 開關(guān)閉合時仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)了一種頻率可重構(gòu)的圓極化微帶天線，采用RF MEMS開關(guān)控制，使天線工作在不同的頻段，即同一個天線可接收GPS信號也可接收北斗二代信號，不僅降低了成本也節(jié)約了空間。

[1]傅世強(qiáng)，王強(qiáng)，李嬋娟.一種易調(diào)諧的小型GPS微帶天線設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(11):116-118.

[2]胡少文，吳毅強(qiáng)，羅斌，等.一種新型的超寬帶天線的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(1):90-92.

[3]陳建軍，宋學(xué)瑞，曹宏徙.寬頻帶高增益RFID微帶天線陣設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2012,31(10):58-60,64.

[4]鐘順時.微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991.

[5]楊雪松,王秉中.可重構(gòu)天線的研究進(jìn)展[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2003,25(4):417-421.

[6]肖紹球,王秉中.微帶可重構(gòu)天線的初步探討[J].電波科學(xué)學(xué)報,2002,17(4):386-417.

[7]王安國,張佳杰,王鵬，等.可重構(gòu)天線的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電波科學(xué)學(xué)報,2008,23(5):997-1008.

[8]李浩,冷文,王安國,等.一種小型化頻率可重構(gòu)微帶天線的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù),2013,36(10):119-122.

[9]魏文博,尹應(yīng)增,郭景麗，等.小型化微帶縫隙可重構(gòu)天線[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報,2007,34(4):562-565.

[10]JHAMB K,LI L,RAMBABU K.Frequency adjustable microstrip annular ring patch antenna with multi-band characteristics[J].IET Microw.Antennas Propag.,2011,5(12):1471-1478.

[11]MARTIN N,LAURENT P,PERSON C,et al.Patch antenna adjustable in frequency using liquid crystal[C].33rdEuropean Microware Conference,Munich,2003:699-702.

[12]Huang Chihyu,Ling Chingwei.Frequency-adjustable circularly polarised dielectric resonator antenna with slotted ground plane[J].Electronics Letters,2003,39(14):1030-1031.