一種低剖面可重構(gòu)全向圓極化天線的設(shè)計(jì)

黃 杰, 孫虎成

(南京信息工程大學(xué)應(yīng)用電磁學(xué)研究中心， 江蘇南京 210044)

0 引言

在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，極化可重構(gòu)天線已經(jīng)引起了大量的關(guān)注，形成了廣泛的應(yīng)用。在工作頻帶受限的情況下，通信天線極化的多樣性可以大大提升無線通信系統(tǒng)的性能。極化可重構(gòu)天線在增強(qiáng)系統(tǒng)通信能力同時(shí)可降低多徑干擾。另外一方面，水平面上輻射范圍達(dá)360°的全向天線因其較大的覆蓋范圍優(yōu)勢，也被廣泛應(yīng)用在各類無線移動通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)領(lǐng)域。

近幾年，順應(yīng)現(xiàn)代無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們提出了多種可重構(gòu)全向圓極化天線。如文獻(xiàn)[15]報(bào)道了一個(gè)具有6個(gè)偶極子的可重構(gòu)圓極化全向天線，通過控制偶極子天線單元上的48個(gè)PIN二極管實(shí)現(xiàn)圓極化狀態(tài)的切換。文獻(xiàn)[16]提出了一個(gè)具有9根短路柱的可重構(gòu)全向圓極化天線，通過調(diào)控PIN二極管狀態(tài)改變天線單元的電流路徑從而實(shí)現(xiàn)圓極化方式的切換。文獻(xiàn)[17]提出的設(shè)計(jì)是通過饋電網(wǎng)絡(luò)控制1×4交叉偶極子天線實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的切換。文獻(xiàn)[18]提出了一個(gè)包含有環(huán)形偶極子和錐形天線的可重構(gòu)圓極化天線，利用饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)拓寬了天線的軸比帶寬，通過調(diào)節(jié)饋電網(wǎng)絡(luò)中的12個(gè)PIN二極管可以實(shí)現(xiàn)水平、垂直和左右旋圓極化四種輻射狀態(tài)。上述研究工作主要采用兩種方式調(diào)控天線的極化，即在天線單元或饋電路徑上添加PIN二極管。在天線單元數(shù)目較多和饋電網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜時(shí)，需要采用較多數(shù)量的PIN二極管才能實(shí)現(xiàn)極化的可重構(gòu)。而使用過多PIN二極管會增加設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，同時(shí)也給天線帶來更多的損耗，降低天線性能。

本文提出了一種低剖面可重構(gòu)全向圓極化天線。天線的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在一個(gè)雙層圓形基板上，通過PIN二極管控制饋電網(wǎng)絡(luò)中的緊湊二階3 dB耦合器來切換天線左右旋圓極化狀態(tài)。本文將對天線的結(jié)構(gòu)、仿真設(shè)計(jì)和測試作詳細(xì)的介紹，并對仿真與測試結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 可重構(gòu)全向圓極化天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1展示了設(shè)計(jì)的可重構(gòu)全向圓極化天線結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)天線的橫截面積為59.9×59.9×π mm，上下層基板分別是FR4 (= 4.4，= 6.4 mm)和Rogers-4350 (= 3.66，=30 mil)。天線由垂直極化的偶極子陣列和水平極化的單極子天線組成。垂直極化的單極子天線處于設(shè)計(jì)天線的上層和中層。單極子天線的饋電點(diǎn)位于上層橙色圓形的中心。添加16根短路柱的單極子天線能以較低的物理尺寸在預(yù)設(shè)頻段內(nèi)工作。1×4弧形偶極子陣列輻射全向的水平極化波。偶極子天線的巴倫結(jié)構(gòu)與饋電網(wǎng)絡(luò)相連處于天線下層。輻射水平極化波的偶極子臂在天線的中層。因偶極子天線對單極子天線全向輻射性能有一定的影響，經(jīng)過仿真優(yōu)化將偶極子輻射臂的部分枝節(jié)經(jīng)通孔延伸至天線的上層。天線是用Ansoft HFSS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 可重構(gòu)全向圓極化天線結(jié)構(gòu)

表1 可重構(gòu)全向圓極化天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)

續(xù)表

1.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圖2是天線饋電網(wǎng)絡(luò)的原理框圖。設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)主要包含一個(gè)緊湊二階3 dB耦合器和一單刀雙擲開關(guān)電路。天線通過饋電網(wǎng)絡(luò)以不同的相位差同時(shí)激勵(lì)偶極子陣列和單極子天線從而輻射出左右旋圓極化波。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)框圖

圖3是饋電網(wǎng)絡(luò)中3 dB耦合器的等效電路圖，為一個(gè)二階的3 dB耦合器。相比于傳統(tǒng)的3 dB耦合器，本設(shè)計(jì)通過微帶線優(yōu)化布局有效地實(shí)現(xiàn)了二階3 dB耦合器尺寸小型化，并且在一個(gè)較寬的頻段內(nèi)，該耦合器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量均分和穩(wěn)定相移。耦合器的輸出端口、分別與偶極子陣列天線和單極子天線相連。圖4給出了單刀雙擲開關(guān)電路的原理圖，其中PIN二極管承擔(dān)著開關(guān)的作用，可通過改變二極管的通斷狀態(tài)選擇耦合器的信號輸入端口。二極管、與3 dB耦合器輸入端口相連，二極管、控制著端口。當(dāng)二極管、導(dǎo)通時(shí)，端口、均短路接地，饋電網(wǎng)絡(luò)處于非工作狀態(tài)。當(dāng)二極管、斷開，導(dǎo)通時(shí)，信號從端口輸入；當(dāng)二極管、斷開，導(dǎo)通時(shí)，信號從端口輸入?？梢钥闯霎?dāng)通過調(diào)控二極管打開二階耦合器、其中一個(gè)端口，對應(yīng)的直通端口與耦合端口可獲得幅值相等、相位差為±90°的射頻能量。根據(jù)這一特性可以用來調(diào)整垂直與水平極化波之間的相位差，從而產(chǎn)生左右旋圓極化。

圖3 3 dB耦合器的等效電路圖

圖4 單刀雙擲開關(guān)原理圖

圖5給出了可調(diào)饋電網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果。該可調(diào)網(wǎng)絡(luò)的回波損耗在2.0～3.6 GHz頻段內(nèi)保持在-10 dB以下。在頻段2.4～3.0 GHz可調(diào)饋電網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)端口與在等幅能量輸出的情況下，保持兩端口間(±90°±5°)相位差的切換。仿真結(jié)果驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的合理性。

圖5 可調(diào)饋電網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果

2 重構(gòu)機(jī)理

水平極化的偶極子陣列天線和垂直極化的單極子天線在水平面上的遠(yuǎn)場分量可寫為與。與之間的相位差可由連接單極子和偶極子陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)控制。在遠(yuǎn)場上天線輻射的總場可表示為

(1)

式中為與之間的相位差。當(dāng)=π2時(shí)，天線的總場為左旋圓極化；當(dāng)=-π2時(shí)，天線輻射右旋圓極化波。通過控制饋電網(wǎng)絡(luò)中PIN二極管改變天線的輻射模式，饋電網(wǎng)絡(luò)中各狀態(tài)下的偏置電壓如表2所示。

表2 左右旋圓極化下的偏置電壓

2.1 左旋圓極化

天線通過饋電網(wǎng)絡(luò)同時(shí)激勵(lì)單極子天線和偶極子陣列輻射水平極化波和垂直極化波產(chǎn)生左旋圓極化。如圖6當(dāng)偏置電路中端輸入為6 V、端輸入為+3 V、端置零時(shí)，二極管、導(dǎo)通，、截止。此時(shí)，端口處于工作狀態(tài)，端口接地。直通端口與耦合端口獲得的能量幅值相等，相位上超前90°，即=π2。因此在遠(yuǎn)場上天線輻射的總場可表示為

圖6 左旋圓極化網(wǎng)絡(luò)饋電路徑示意圖

(2)

天線輻射全向左旋圓極化波。

2.2 右旋圓極化

如圖7當(dāng)偏置電路為0 V，依然是+3 V，置+6時(shí)，端口工作，接地。二極管、導(dǎo)通，、截止。相比于左旋圓極化狀態(tài)，右旋圓極化狀態(tài)下的工作端口為端口。輸出能量相等的情況下，相位上滯后90°，即=-π2。此時(shí)天線處于右旋圓極化工作狀態(tài)，遠(yuǎn)場上天線輻射的總場可表示為

(3)

圖7 右旋圓極化網(wǎng)絡(luò)饋電路徑示意圖

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證低剖面可重構(gòu)全向圓極化的天線設(shè)計(jì)，加工、裝配并測試了天線實(shí)物。由于該天線包含較多的層板、通孔和集總元件，在裝配時(shí)需要將兩層基板貼合并校準(zhǔn)各通孔的位置，從而引入一定的加工誤差。如基板貼合間的縫隙、加工的通孔補(bǔ)償和集總元件屬性誤差等。并且與仿真中采用的集總端口相比，實(shí)際天線加工測試中使用SMA連接頭對天線進(jìn)行信號輸入的。SMA的探針與天線地板相連于中層；金屬外層與饋電網(wǎng)絡(luò)焊接在天線下層以保持測試時(shí)的SMA頭的穩(wěn)定連接。圖8是天線的實(shí)物圖片，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，實(shí)物天線可重構(gòu)極化方式并輻射全向圓極化波。

圖8 天線實(shí)物照片

圖9是天線仿真與實(shí)測的||結(jié)果。天線在左右旋圓極化狀態(tài)下的阻抗帶寬(|| < -10 dB)分別為215% (224～278 GHz)和194% (232～281 GHz)。如圖10所示，天線在左右旋圓極化狀態(tài)下軸比帶寬(<3 dB)分別為7%(244～262 GHz)和10%(238～263 GHz)，兩種狀態(tài)的重疊軸比帶寬約為7%。圖11給出了245 GHz下天線各狀態(tài)的輻射方向圖。天線的最大圓極化增益為-09 dB。水平面上左右旋全向輻射的增益波動約為13 dB。在0°～360°的范圍內(nèi)天線均可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換和左右旋圓極化的輻射效果。饋電網(wǎng)絡(luò)的功率分配和相位切換功能在仿真與實(shí)測中均得到了驗(yàn)證。

圖9 可重構(gòu)全向圓極化天線的S11測試與仿真結(jié)果

圖10 可重構(gòu)全向圓極化天線左右旋圓極化的軸比

(a) 左旋圓極化

實(shí)測中，單極子天線和偶極子天線陣列與耦合器間阻抗匹配較仿真有偏差，主要由基板間的縫隙和集總元件真實(shí)值與仿真設(shè)定值之間存在差異等原因?qū)е?。阻抗匹配影響?zhàn)侂娋W(wǎng)絡(luò)功率分配功能和相移的效果，因而天線在測試實(shí)驗(yàn)中與仿真存在差異。除此之外，部分饋電網(wǎng)絡(luò)同時(shí)與SMA連接頭金屬外層和PIN二極管、相連。在實(shí)驗(yàn)測試轉(zhuǎn)動天線時(shí)，連接頭受力會造成相接的饋電網(wǎng)絡(luò)部分與基板和PIN二極管連接處存在松動。連接處松動產(chǎn)生的空隙會導(dǎo)致PIN二極管接觸不良并影響阻抗匹配，同時(shí)也削弱了饋電網(wǎng)絡(luò)的功能，降低了天線的性能。同時(shí)因?yàn)榻宇^焊接處為高集成區(qū)域，SMA連接頭的加入給焊接帶來難度。測試中連接頭因?yàn)楹附拥脑蛞欢ǔ潭壬嫌绊懥颂炀€的匹配狀態(tài)，同時(shí)連接頭自身的輻射作用也不可忽略，從而導(dǎo)致全向天線的性能也與仿真發(fā)生了偏差。雖然結(jié)果存在偏差，但天線整體仍能輻射全向圓極化波并且可以在左右旋圓極化間靈活地切換。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)低剖面全向圓極化天線，通過饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了該天線的工作狀態(tài)可重構(gòu)。饋電網(wǎng)絡(luò)調(diào)控偶極子陣列和單極子天線在遠(yuǎn)場上輻射的水平與垂直極化波間的相位差，從而產(chǎn)生了可切換的左右旋圓極化波。測試結(jié)果表明，天線左右旋圓極化的重疊帶寬(||<-10 dB)約為159% (237～278 GHz)。重疊軸比帶寬(<3 dB)約為7% (244～262 GHz)。在水平面上天線各狀態(tài)下全向輻射的增益波動均小于13 dB。本設(shè)計(jì)天線有全向圓極化可切換和低剖面特性，適用于空間無線通信系統(tǒng)。