一種基于共面波導(dǎo)饋電的寬帶多極化可重構(gòu)天線

靳貴平 李龍 孫毅 王偉 廖紹偉

(1.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院,廣東 廣州 510640；2.毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210096)

在過(guò)去的十多年里，隨著無(wú)線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)線應(yīng)用日益增加，給人們的生活帶來(lái)了極大便利。但與此同時(shí)，無(wú)線應(yīng)用的劇增也使得通信環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜，使得多徑反射和極化失配增加，進(jìn)而影響通信。為了提高無(wú)線通信系統(tǒng)的質(zhì)量和容量，極化可重構(gòu)天線是其中備受關(guān)注的解決方案之一。極化可重構(gòu)天線可以根據(jù)無(wú)線應(yīng)用實(shí)時(shí)環(huán)境和通信要求的需要，切換相應(yīng)的極化模式，實(shí)現(xiàn)極化分集和頻率分集，提高信道容量，此外也有利于降低多徑反射和極化失配造成的信號(hào)損耗，提高通信的質(zhì)量[1]。

天線是極化器件，不同的極化模式有著不同的應(yīng)用場(chǎng)景，如在地波通信中，水平極化波貼近地面?zhèn)鞑r(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，因此地波通信常采用垂直極化波;而在室內(nèi)無(wú)線通信的發(fā)射端，較垂直極化波，采用水平極化波發(fā)射可多獲得10 dB的增益[2- 3]。相較于線極化(LP)波，圓極化波在遇到障礙時(shí)會(huì)發(fā)生極化反轉(zhuǎn)，因此可有效降低雨霧干擾、多徑反射和極化失配等帶來(lái)的損耗，極大地增加通信系統(tǒng)容量和提高通信質(zhì)量[4- 8]。一般地，根據(jù)極化可重構(gòu)天線的極化模式，可分為線極化可重構(gòu)天線、圓極化可重構(gòu)天線和多極化可重構(gòu)天線。天線可在多種線極化之間切換，稱為線極化可重構(gòu)天線[9- 12]。文獻(xiàn)[12]提出了一款線極化可重構(gòu)天線，天線基于交叉偶極子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了0°、45°、90°和135° 4種線極化工作模式，覆蓋-10 dB重疊阻抗帶寬達(dá)53%(2.3～4.0 GHz)。但值得注意的是，該天線只能工作于線極化模式下，面對(duì)極端天氣干擾、多徑反射和極化失配的應(yīng)對(duì)能力不足，大大限制了線極化可重構(gòu)天線的應(yīng)用。天線可實(shí)現(xiàn)左旋圓極化(LHCP)和右旋圓極化(RHCP)之間的切換，稱為圓極化可重構(gòu)天線[13- 16]。圓極化天線可接收相同旋向的圓極化波和線極化波，因此相較于線極化天線，可大大增加系統(tǒng)的容量和提高通信質(zhì)量。文獻(xiàn)[15]提出了一款圓極化可重構(gòu)天線，該天線基于可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可工作在左/右旋圓極化模式，有效工作帶寬為23.5%(1.5～1.9 GHz)。該天線可實(shí)現(xiàn)收/發(fā)圓極化波，抗干擾能力較強(qiáng)，但是工作帶寬較窄;此外，當(dāng)來(lái)波是線極化波時(shí)，雖然可以接收，但也會(huì)損耗一半的能量。鑒于線極化可重構(gòu)天線和圓極化可重構(gòu)天線的優(yōu)勢(shì)與不足，結(jié)合了二者長(zhǎng)處的、可在線極化和圓極化之間切換的混合多極化可重構(gòu)受到該領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注[17- 22]。文獻(xiàn)[21]提出了一款基于溝槽天線的寬帶多極化可重構(gòu)天線，該天線可工作于線極化、左旋圓極化和右旋圓極化3種模式，其有效工作帶寬為10.8%(3.43～3.82 GHz)。該天線同時(shí)具備線極化和圓極化工作模式，但是阻抗帶寬較窄，無(wú)法滿足時(shí)下寬帶化的現(xiàn)代通信需求。

為了滿足寬帶化的通信需求，本文提出了一款基于共面波導(dǎo)饋電的寬帶多極化可重構(gòu)天線。該天線基于共面微帶線設(shè)計(jì)，通過(guò)共面波導(dǎo)進(jìn)行饋電，再輔以簡(jiǎn)單的寄生單元和加載在參考地上的4個(gè)PIN二極管開(kāi)關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶線極化、左/右旋圓極化可重構(gòu)。

1 天線設(shè)計(jì)

天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括介質(zhì)基板、參考地單元、主輻射單元以及印刷在介質(zhì)板兩面的寄生單元。介質(zhì)基板采用0.8 mm厚度的玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂板(FR- 4)，它的介電常數(shù)εr為4.4，介質(zhì)損耗角正切值tanθ為0.02，平面尺寸為60 mm×75 mm。主輻射單元印刷在介質(zhì)基板的正面，其貼片類似喇叭狀，漸變結(jié)構(gòu)有利于獲得較寬的阻抗帶寬。參考地單元與主輻射單元共面，并在參考地上開(kāi)縫且置入4個(gè)PIN二極管開(kāi)關(guān)，標(biāo)記為D1、D2、D3和D4。通過(guò)控制4個(gè)二極管開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，改變參考地單元上的電流分布，從而改變天線有效孔徑的輻射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多種極化模式。此外，為了改善圓極化特性、增強(qiáng)軸比帶寬，矩形寄生單元和C型寄生單元分別印刷在介質(zhì)基板的正面和背面。在圓極化模式下，它們通過(guò)調(diào)節(jié)x方向和y方向上電場(chǎng)分量的幅度和相位，經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化，從而增加圓極化軸比帶寬。與此同時(shí)，如圖1(a)所示，為了實(shí)現(xiàn)PIN二極管開(kāi)關(guān)的獨(dú)立控制并保持射頻電流的連續(xù)性，文中使用了5個(gè)隔直電容，其中4個(gè)焊接在參考地的縫隙上、一個(gè)焊接在SMA射頻接頭與地之間。通過(guò)優(yōu)化仿真，得到天線尺寸的最終值。此外，表1給出了天線在不同極化模式下對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)(單位：mm)Fig.1 Geometry of the antenna(Unit:mm)

表1 不同天線極化模式下對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)Table 1 Switch states of different antenna polarization modes

2 天線仿真與測(cè)試

天線首先采用ANSYS公司的電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行建模和優(yōu)化，然后將最終優(yōu)化的天線模型進(jìn)行實(shí)物制作，如圖2所示。為了驗(yàn)證天線的性能，對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，包括電路參數(shù)(主要關(guān)注回波損耗|S11|)和輻射參數(shù)(主要包括輻射方向圖、軸比、增益等)。電路參數(shù)實(shí)測(cè)采用安捷倫公司生產(chǎn)的二端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，型號(hào)為Agilent N5230A- 420，實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖3(a)所示。輻射參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)為法國(guó)SATIMO公司的Smartlab微波暗室，實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖3(b)所示。

圖2 天線實(shí)物圖Fig.2 Photographs of the proposed antenna

圖3 天線實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Photographs of the proposed antenna measurement

圖4給出了天線回波損耗|S11|參數(shù)的實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果對(duì)比。如圖4(a)所示，線極化模式下，天線實(shí)測(cè)-10 dB阻抗帶寬達(dá)到52%，覆蓋2.33～3.97 GHz頻段;如圖4(b)所示，圓極化模式下，天線實(shí)測(cè)-10 dB重疊阻抗帶寬達(dá)48.5%，覆蓋2.42～3.97 GHz頻段。通過(guò)與仿真結(jié)果比對(duì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果有一定頻偏和多余諧振，在左/右旋圓極化時(shí)，|S11|曲線在3.0～3.5 GHz頻段范圍內(nèi)與-10 dB水平線接近。出現(xiàn)上述問(wèn)題主要是由于天線制作精度有限和電容等器件焊接工藝等引入了人為誤差，以及偏置電路與其杜邦線影響天線阻抗匹配和引入損耗，從而導(dǎo)致頻偏或者多余諧振出現(xiàn)。

圖5給出了天線在圓極化模式下，其軸比AR的實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果對(duì)比。如圖5(a)所示，當(dāng)天線工作于左旋圓極化模式下時(shí)，實(shí)測(cè)3 dB軸比帶寬為48.2%，覆蓋2.33～3.81 GHz頻段；當(dāng)天線工作于右旋圓極化模式下時(shí)，實(shí)測(cè)3 dB軸比帶寬為48.5%，覆蓋2.33～3.81 GHz頻段。兩種圓極化模式下，天線實(shí)測(cè)3 dB重疊軸比帶寬達(dá)到48.2%，覆蓋2.33～3.81 GHz頻段。由圖5分析可知，天線圓極化軸比仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，但受天線制作和偏置電路影響，實(shí)測(cè)3 dB軸比較仿真結(jié)果更接近3 dB水平線。結(jié)合|S11|的實(shí)測(cè)結(jié)果，可以得到天線的有效工作帶寬為44.6%，覆蓋2.42～3.81 GHz頻段。

圖6給出了天線在輻射方向(+z)上的實(shí)測(cè)和仿真增益的對(duì)比分析。如圖所示，3種模式下，在天線有效工作帶寬(2.42～3.81 GHz) 內(nèi)，天線實(shí)測(cè)增益與仿真結(jié)果比較一致，但實(shí)測(cè)增益均比仿真增益低，下降約0.5～1.5 dB。這主要是由于天線制作精度受限、PIN二極管和電容焊接工藝不良、偏置電路等引起阻抗匹配惡化導(dǎo)致?lián)p耗增加;此外，SMA接頭與測(cè)試饋線也會(huì)引入一定的連接損耗和線損。

圖7、圖8和圖9給出了3種極化模式下天線實(shí)測(cè)和仿真的主極化和交叉極化方向圖，包括2.5、2.7和3.0 GHz 3個(gè)頻點(diǎn)，分別取其xoz面和yoz面的方向圖，其中|E|為電場(chǎng)模(電場(chǎng)的大小)。線極化模式下，實(shí)測(cè)方向圖與仿真結(jié)果有所偏差，實(shí)測(cè)的交叉極化偏大，主要原因是受偏置電路PCB板以及連接偏置電路的杜邦線影響較大，同時(shí)制作精度受限對(duì)其也有一定影響。但仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)大致相同，基本可以驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以接受。此外，由xoz面和yoz面的方向圖可知，天線在xoz面上沿±z軸輻射，在yoz平面上，天線為全向輻射。圖8和圖9分別是左/右旋圓極化模式下的天線輻射方向圖。由圖可知，當(dāng)工作于左/右旋圓極化模式下時(shí)，天線沿±z軸輻射，實(shí)測(cè)輻射方向圖穩(wěn)定。但也同樣受到天線實(shí)物加工精度、偏置電路等的影響，其實(shí)測(cè)方向圖與仿真結(jié)果相比某些方面略有偏差，但二者整體上比較一致。

3 電流分析

天線的表面電流分布決定了天線有效孔徑輻射的遠(yuǎn)場(chǎng)分布，通過(guò)研究天線表面電流分布，可以直觀地了解天線的輻射模式和工作原理。圖10給出了天線在線極化和左旋圓極化模式下的天線表面電流分布。當(dāng)4個(gè)PIN二極管開(kāi)關(guān)均處于導(dǎo)通狀態(tài)、兩側(cè)參考地電流分布一致、電流無(wú)相位差時(shí)，天線工作于線極化模式下。圖10(a)給出了天線工作于線極化模式下時(shí)，2.7 GHz頻點(diǎn)的表面電流在一個(gè)周期內(nèi)的變化情況。如圖所示，天線主要依靠主輻射單元工作，在一個(gè)周期內(nèi)，天線表面電流始終關(guān)于x軸對(duì)稱，所以天線極化模式為x方向線極化。當(dāng)PIN二極管D1和D4導(dǎo)通、D2和D3斷開(kāi)時(shí)，天線參考地的右側(cè)開(kāi)縫處被二極管連通，其表面電流連續(xù)。相反地，天線參考地左側(cè)由于開(kāi)縫處二極管斷開(kāi)，其表面電流不連續(xù)，此時(shí)電流沿著槽邊緣流動(dòng)，電流流動(dòng)路徑增加，通過(guò)適當(dāng)優(yōu)化，增加的電流路徑形成了約90°的相位差。此外，天線為單饋點(diǎn)，理論上天線表面各點(diǎn)電流幅值相等，于是天線可輻射和接收?qǐng)A極化波。圖10(b)是天線工作于左旋圓極化模式下時(shí)，其在2.7 GHz頻點(diǎn)的表面電流在一個(gè)周期內(nèi)的變化情況。如圖所示，天線表面電流沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，所以此時(shí)天線工作于左旋圓極化模式下。類似地，天線工作于右旋圓極化模式下的工作原理可參考左旋圓極化模式下的分析，在此不再贅述。

圖10 天線在2.7 GHz頻點(diǎn)的表面電流分布Fig.10 Surface current distribution at 2.7 GHz

4 參數(shù)分析

除了電流分析外，參數(shù)分析是研究和設(shè)計(jì)天線的重要方法之一。文中通過(guò)參數(shù)分析，了解天線各部分對(duì)天線性能的影響，并據(jù)此優(yōu)化天線尺寸。仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，參考地與主輻射單元之間的縫隙g和主輻射單元長(zhǎng)度Lf對(duì)天線性能有著較大影響，如圖11、12和13所示。

圖11 縫隙寬度g對(duì)參數(shù)|S11|的影響Fig.11 Effect of parameter g on |S11|

由圖11可知，縫隙寬度g對(duì)天線的各極化模式下的阻抗匹配有著顯著的影響。隨著g的增加，各極化模式下的帶內(nèi)阻抗匹配得到改善，且-10 dB阻抗帶寬有往高頻移動(dòng)趨勢(shì)。而由圖13(a)可知，g對(duì)圓極化模式下的軸比影響微弱。圖12給出了天線主輻射單元長(zhǎng)度Lf對(duì)天線參數(shù)|S11|的影響情況。隨著Lf的增加，線極化模式下的帶內(nèi)阻抗匹配變差，而圓極化模式下則恰好相反。此外，由圖13(b)可知，Lf對(duì)低頻的圓極化軸比影響較大。最終優(yōu)化的g和Lf值分別是1.1 mm和51 mm。

5 比較與討論

表2給出了文中所提天線與幾篇文獻(xiàn)中天線關(guān)鍵性能指標(biāo)的比較結(jié)果。由表2可知，與目前現(xiàn)有的極化可重構(gòu)天線相比，文中所提天線在工作帶寬上有著較大的優(yōu)勢(shì)。巨大的帶寬優(yōu)勢(shì)可以滿足時(shí)下日益增多的無(wú)線應(yīng)用的要求，具有光明的應(yīng)用前景。此外，本文所設(shè)計(jì)的極化可重構(gòu)天線在結(jié)構(gòu)上也是較為小型和緊湊的，可滿足通信系統(tǒng)小型化和集成化的要求。

表2 可重構(gòu)天線關(guān)鍵性能指標(biāo)的比較1)

6 結(jié)論

面對(duì)日益嚴(yán)峻的通信環(huán)境，為了解決現(xiàn)代無(wú)線通信高質(zhì)量、寬帶化、大容量的通信要求，本文對(duì)寬帶多極化可重構(gòu)天線進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了一款基于共面波導(dǎo)饋電的寬帶多極化可重構(gòu)天線。天線主要由共面微帶線和寄生單元組成，使用50 Ω射頻接口進(jìn)行饋電。通過(guò)置入和控制焊接在共面地上的4個(gè)PIN二極管開(kāi)關(guān)的通/斷狀態(tài)，重置天線表面電流分布，改變天線有效孔徑遠(yuǎn)場(chǎng)輻射，從而實(shí)現(xiàn)了天線的在線極化、左/右旋圓極化之間的切換。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，天線在3種工作狀態(tài)下的-10 dB阻抗帶寬達(dá)到48.5%，覆蓋2.42～3.97 GHz頻段；圓極化模式下的3 dB軸比帶寬約為48.2%，覆蓋2.33～3.81 GHz頻段。從而，天線實(shí)現(xiàn)了高達(dá)44.6%的有效帶寬，覆蓋2.42～3.81 GHz。文中所設(shè)計(jì)的天線與其他文獻(xiàn)中的天線比較可知，該天線擁有3種可重構(gòu)極化模式的同時(shí)，還具備工作頻帶寬、結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)小型以及方向圖增益穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以滿足時(shí)下應(yīng)用廣泛的移動(dòng)通信的要求——如WLAN 2.45 GHz、LTE TD- 2600等，以及衛(wèi)星通信的S頻段的無(wú)線應(yīng)用和其他的一些多極化應(yīng)用場(chǎng)景。