新型可重構(gòu)臨近耦合偶極子天線陣

謝倩倩，周永剛，歐陽偉忠，李博南

(南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京 210000)

可重構(gòu)天線由于輻射特性受到關注。在不增加天線數(shù)量的前提下，可重構(gòu)天線能實現(xiàn)多種工作模式，動態(tài)改變某些電磁特性，從而具有多種功能［1］，用于智能武器、汽車和飛機雷達、無線和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡以及空間遙感等領域［2］。

1983 年，D.Schaubert 首次提出可重構(gòu)天線概念。最初的可重構(gòu)天線多使用移相器［3］，但隨著頻率的升高，移相器的價格會變得非常昂貴。文獻［4］使用MEMS 開關實現(xiàn)波束控制，避免了傳統(tǒng)移相器的缺點，但MEMS［5］開關本身的響應速度稍慢。文獻［6］通過pin 管開關控制巴倫長度，改變天線相位，實現(xiàn)波束控制，此時的波束躍度是有限的。

偶極子天線作為天線陣列中常用的天線形式，可通過多種方式饋電，其中臨近耦合饋電是最實用的一種形式［7］。文獻［7］理論上提出調(diào)整振子間距可改變天線陣列的主輻射方向，并設計出不同輻射方向的天線陣列。

基于以上理論，設計了一種使用鄰近耦合饋電的可重構(gòu)偶極子天線陣列。在10 GHz 波段內(nèi)，通過pin 管的通斷實現(xiàn)主輻射角度在0°和40°不同輻射方向的切換，增益穩(wěn)定、匹配良好、結(jié)構(gòu)簡單、無需移相器、pin 管控制切換，響應迅速。為了實現(xiàn)一定的掃描范圍，需在天線陣表面集成更多的天線陣列，通過外圍控制電路控制輻射角度的改變，為全固態(tài)可重構(gòu)天線奠定了基礎［8］。

1 可重構(gòu)天線陣設計原理

為了減小輻射片重構(gòu)對饋電結(jié)構(gòu)的影響，饋電端口使用單端口臨近耦合饋電。調(diào)整振子間距可實現(xiàn)掃描角度的改變，同時間距的改變會使端口阻抗匹配變差，臨近耦合饋電使阻抗匹配的可調(diào)參數(shù)增多，可比其他饋電方式更容易與輻射貼片達到阻抗匹配。使用ADS 中的Linecal 計算得出，天線饋線的寬度約1.5 mm。

為達到一定的天線增益，天線采用7 個輻射單元的天線陣，最終0°的天線陣增益可達12 dB，但方向圖副瓣并未得到抑制，考慮到天線陣采用加權算法抑制副瓣［9］，使用Matlab 編程計算得到每個天線振子中心偏移饋線中心的距離為0.8，2.0，2.5，3.0，2.5，2.0，0.8，單位mm。對天線振子偏移距離進行優(yōu)化，最后0°的天線方向圖副瓣達到－13.6 dB。

為實現(xiàn)波束控制，可通過改變天線陣相鄰元的電流相位來完成。在本設計中，通過調(diào)節(jié)相鄰天線振子的距離和振子偏移中心距離實現(xiàn)波束改變。通過公式

計算可得到，為了達到40°的掃描角度，此時振子間距約為10 mm;為抑制輻射方向40°的方向圖副瓣，經(jīng)Matlab 計算，可得出天線振子中心偏移饋線中心的距離依次為2.2，2.4，2.6，2.8，3.0，3.2，3.4，單位mm。

將兩個主輻射方向的天線陣集成于同一基板，兩個方向的天線振子會有一部分重合，為使pin 管更方便控制角度切換，對振子間距和第一片振子到端口的距離微調(diào)，同時，在不影響天線性能的前提下，對0°天線陣第4、5 片振子分別向右、向左移動0.2 mm，減少振子重合，這樣可更加便捷地實現(xiàn)輻射角度的切換，且避免振子間因為距離太近產(chǎn)生耦合。

為了實現(xiàn)波束掃描，需在天線陣上集成更多的陣列，用pin 管陣列代替微帶輻射振子，通過外圍控制電路控制pin 管的通斷，從而改變輻射方向，實現(xiàn)天線重構(gòu)。本設計為全固態(tài)可重構(gòu)天線奠定了理論基礎，并驗證了該方案的可實施性。

2 可重構(gòu)天線陣仿真測試

天線介質(zhì)基板的介電常數(shù)ε=3.55，厚度0.5 mm，天線俯視圖如圖1 所示。使用CST 軟件對天線模型進行仿真，經(jīng)過仿真優(yōu)化，天線的具體尺寸參數(shù)如表1 所示。

圖1 0°+40°天線俯視圖

表1 天線的物理尺寸 mm

根據(jù)以上數(shù)據(jù)對天線進行加工測試，得到的天線結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖2 可重構(gòu)天線實物圖

使用矢量網(wǎng)絡分析儀對天線的S11參數(shù)進行測試，得到的測試結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖3 0°天線回波損耗測試及仿真曲線

圖4 40°天線回波損耗測試及仿真曲線

圖3 和圖4 中，虛線是實測數(shù)據(jù)，實線是仿真數(shù)據(jù)，由以上實測數(shù)據(jù)可看出，天線陣出現(xiàn)較多的頻點，但在中心頻點并未改變，諧振頻點的增多初步考慮是因為振子上焊接的金屬絲和電感電阻的存在，影響了振子匹配和磁場分布，此時0°和40°的天線陣，工作中心頻點約為9.8 GHz，帶寬可達到約200 MHz。

對于天線方向圖的測量在微波暗室中進行，歸一化結(jié)果如下。由圖5 和圖6 可看出，天線基本可實現(xiàn)在0°和40°的輻射，且仿真與測試趨勢基本吻合，該可重構(gòu)天線天線在0°的－10 dB 阻抗帶寬約150 MHz，最大增益12.1 dB，副瓣低于－13.6 dB，40°的－10 dB 阻抗帶寬約350 MHz，最大增益為8.7 dB，副瓣低于－10.9 dB。驗證了可重構(gòu)天線的可行性。

圖5 可重構(gòu)天線陣0°測試仿真方向圖

圖6 可重構(gòu)天線陣40°測試仿真方向圖

3 結(jié)束語

設計的可重構(gòu)鄰近耦合偶極子天線陣，使用pin管通斷控制不同輻射方向的轉(zhuǎn)換，無需使用移相器。采用CST 軟件對天線陣進行仿真，通過改變天線振子間距和振子中心偏移饋線中心的距離改變輻射角度。對天線進行加工測試，測試數(shù)據(jù)與仿真吻合度較高，說明該天線可是實現(xiàn)方向圖角度掃描，端口饋電匹配良好。天線尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單，較大程度上提高了波束的可重構(gòu)性。使用這種方式設計的波束可重構(gòu)天線陣可用于交通監(jiān)管以及雷達探測等軍事領域。

［1］ 胡越.一種新型極化可重構(gòu)微帶天線［J］.微波學報，2014(S1):5－8.

［2］ 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］.電波科學學報，2008，23(5):997－1002.

［3］ De Luis J R，De Flaviis F.A reconfigurable dual frequency switched beam antenna array and phase shifter using PIN diodes［C］.Antennas and Propagation Society International Symposium，Apsursi 09，IEEE，2009:1－4.

［4］ Chiao J，Cheng S，Chang J J L.MEMS reconfigurable antennas［J］.International Journal of RF and Microwave Computer aided Engineering，2001(11):301－309.

［5］ 陳燕仙.MEMS 開關可重構(gòu)天線的研究與設計［D］.上海:華東師范大學，2005.

［6］ Guo Y J，Can Ding.A beam switching quasi－yagi dipole antenna［J］.IEEE APS，2013(7):4891－4899.

［7］ Das N K，Pozar D M.Analysis and design of series－fed arrays of printed dipoles proximity coupledtoaperpendicularmicrostripline［J］.IEEE Transactions on AP，1989(4):435－444.

［8］ 陳麗娜，郭慶功.一種可重構(gòu)的半導體等離子體串饋天線陣的設計［C］.順德:第十四屆全國微波能應用學術會議，2009.

［9］ 周明.寬帶陣列天線副瓣電平的優(yōu)化算法研究［D］.西安:西安電子科技大學，2009.