一種方向圖可重構(gòu)圓極化陣列天線的設(shè)計(jì)

陳夢(mèng)玉,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)

當(dāng)前,為了滿(mǎn)足現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)個(gè)性化網(wǎng)絡(luò)的需求,電磁特性可調(diào)的天線技術(shù)正在飛速發(fā)展。其中方向圖可重構(gòu)天線可根據(jù)不同工作場(chǎng)景的需求來(lái)重構(gòu)輻射方向圖的模式。在工作頻率和極化方式固定不變的前提下[1],方向圖可重構(gòu)天線具有輻射方向、增益或者波束寬度可變的特性。利用天線的波束控制靈活、波束方向可重構(gòu)等特點(diǎn)可以有效減少入射波的電子干擾,在提高信息接收能力的同時(shí)提升通信的安全性。目前可重構(gòu)天線被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、現(xiàn)代移動(dòng)通信和雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域[2]。

近些年,隨著天線可重構(gòu)技術(shù)迅速發(fā)展,研究人員利用機(jī)械調(diào)整或電調(diào)等外部控制方式[3-5]設(shè)計(jì)了多種方向圖可重構(gòu)天線。如Yasir 等[6]介紹了一種可重構(gòu)平面圓盤(pán)天線,通過(guò)控制天線中圓環(huán)縫隙間兩個(gè)PIN 二極管的狀態(tài)切換主輻射波束指向+30°,-30°和0°三種不同方向。Gu 等[7]提出了一種輻射方向圖和極化方式均可切換的智能天線,通過(guò)PIN 二極管控制輻射貼片四周的寄生元件來(lái)實(shí)現(xiàn)天線工作模式的改變。Sun 等[8]提出了一種能夠自由切換全向/定向輻射模式的可穿戴天線。天線集成了定向輻射結(jié)構(gòu)和全向輻射結(jié)構(gòu),通過(guò)調(diào)節(jié)輻射貼片環(huán)槽中的六個(gè)PIN 二極管來(lái)配置輻射模式。Patriotis 等[9]設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng),工作在X 波段的方向圖可重構(gòu)天線系統(tǒng)。天線單元排列成四元件扇形陣列,并由基于PIN 二極管的電控饋電網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立激勵(lì)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)控制饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出激勵(lì),天線可呈現(xiàn)十六種輻射方向圖。上述文獻(xiàn)工作均在不更改天線物理結(jié)構(gòu)的情況下采用基于高隔離度、低損耗射頻開(kāi)關(guān)的電調(diào)法,來(lái)調(diào)控天線輻射方向。然而復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)會(huì)增加多種工作模式可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)難度,例如Butler 矩陣。

為了實(shí)現(xiàn)較高設(shè)計(jì)自由度和易于調(diào)控的新型可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò),本文提出了一種基于相位轉(zhuǎn)換器的方向圖可重構(gòu)圓極化陣列天線。通過(guò)PIN 二極管控制饋電網(wǎng)絡(luò)中的相位轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列天線方向圖工作模式的切換。利用金屬微帶天線單元貼片的對(duì)角切割處理,以及采用L 型探針耦合饋電的雙饋電點(diǎn)法,實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)天線圓極化性能,減少微波信號(hào)受到的多路徑干擾。對(duì)天線阻抗帶寬、軸比帶寬和方向圖等性能進(jìn)行了仿真分析和實(shí)際測(cè)試,結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的方向圖可重構(gòu)天線具有較好的性能,可有效地應(yīng)用于現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)。

1 方向圖可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)

1.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1 是本文設(shè)計(jì)的方向圖可重構(gòu)陣列天線結(jié)構(gòu)圖。如圖1(a)和(b)所示,天線的上、中兩層基板均為FR4(εr=4.4,h1=1 mm);下層基板為Rogers 4350 (εr=3.66,h3=508 μm)。天線結(jié)構(gòu)由上述的上、中兩層基板組成,同時(shí)饋電網(wǎng)絡(luò)印制在下層基板上。上層的天線單元部分通過(guò)切角處理來(lái)提升圓極化性能[10]。將相鄰天線單元間中心旋轉(zhuǎn)90°后等間距放置組成了1×4 陣列。單元旋轉(zhuǎn)放置可有效地優(yōu)化整個(gè)陣列天線的圓極化波輸出效果[11]。為改善天線的阻抗特性,并提高阻抗帶寬,饋電網(wǎng)絡(luò)采用L 型探針耦合饋電方式如圖1(c)。選用四對(duì)直徑為1 mm 的圓柱探針,分別連接饋電網(wǎng)絡(luò)各輸出端口貫穿中、下兩層基板,并延伸至中層和上層之間的空氣部分,且在最上方彎折成L 型。通過(guò)設(shè)計(jì)的巴倫,使每對(duì)探針中的兩路信號(hào)產(chǎn)生了90°的相位差。再將每對(duì)探針中的L 型結(jié)構(gòu)正交放置,以在每個(gè)天線單元上激勵(lì)起兩個(gè)正交線極化模[12],從而輻射出圓極化波。整個(gè)陣列天線的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

圖1 方向圖可重構(gòu)陣列天線結(jié)構(gòu)圖。(a)俯視圖;(b)側(cè)視圖;(c)饋電網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Structural diagram of reconfigurable array antenna with directional pattern.(a) Top view;(b) Side view;(c) Feeding network

表1 陣列天線的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Detailed structural parameters of the array antenna

1.2 可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)的原理圖如圖2 所示,其主要由三個(gè)±90°相位轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)±45°相位轉(zhuǎn)換器組成。通過(guò)外部偏置電壓控制相位轉(zhuǎn)換器內(nèi)部PIN 二極管的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)來(lái)調(diào)節(jié)相位輸出,可實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)各端口輸出信號(hào)的幅度不變,但相位差在±45°和±135°四種工作模式間切換。將設(shè)計(jì)的可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)連接圖1中的四個(gè)天線單元,最終可實(shí)現(xiàn)陣列天線主輻射波束指向在四種不同的角度上偏轉(zhuǎn)。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)原理框圖Fig.2 The schematic diagram of the feeding network

2 饋電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機(jī)理

2.1 相位轉(zhuǎn)換器

基于陣列天線方向圖可切換的需求,本文提出了一種電控的相位轉(zhuǎn)換器。圖3 是相位轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖,由兩段并聯(lián)的微帶傳輸線和PIN 二極管S1～S4組成。PIN 二極管具有單向?qū)ㄐ院统叽缧?、易集成的特點(diǎn),適合在相位轉(zhuǎn)換器中承擔(dān)開(kāi)關(guān)的作用。通過(guò)改變PIN 二極管導(dǎo)通/截止的工作狀態(tài),相位轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)±?的相位轉(zhuǎn)換。

圖3 相位轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic diagram of the phase converter

設(shè)計(jì)中用于調(diào)控的PIN 二極管型號(hào)為SMP1340-079LF。為了精確獲取該型號(hào)二極管的性能,基于TRL 校準(zhǔn)法[13]對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量,并建立了其在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的電路模型,如圖4 所示。

圖4 PIN 二極管的等效電路模型。(a)導(dǎo)通狀態(tài);(b)截止?fàn)顟B(tài)Fig.4 Equivalent circuits of the PIN diode.(a) ON state;(b) OFF state

2.1.1 導(dǎo)通狀態(tài)

對(duì)于圖3 中的相位轉(zhuǎn)換器,PIN 二極管接入點(diǎn)與微帶線LN間連有電長(zhǎng)度為λ/4 的微帶線LM2、LM3。當(dāng)所有PIN 二極管正向?qū)〞r(shí),C、D 兩點(diǎn)與地面連接,阻抗值為零。此時(shí)相連的微帶線LM2、LM3相當(dāng)于四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器,使得微帶線LM與微帶線LN在連接點(diǎn)A、B 處的輸入阻抗為無(wú)窮大。因此,在此狀態(tài)下,微帶線LN和LM可等效于僅有微帶線LN存在,如圖5(a)所示。整個(gè)轉(zhuǎn)換器可等效于一條微帶線Lc,on,其等效特征阻抗和相位可表示為:

2.1.2 截止?fàn)顟B(tài)

對(duì)于圖3 中的相位轉(zhuǎn)換器,當(dāng)所有PIN 二極管反向截止時(shí),理想狀態(tài)下C、D 兩點(diǎn)與地面斷開(kāi),即阻抗無(wú)窮大。相位重構(gòu)器中的微帶線LM與LN并聯(lián),可等效為一條特征阻抗為Zc,off、電長(zhǎng)度為θc,off的微帶傳輸線Lc,off,如圖5(b)所示。

圖5 相位轉(zhuǎn)換器等效圖。(a)正向?qū)顟B(tài);(b)反向截止?fàn)顟B(tài)Fig.5 Equivalent circuits of the phase converter.(a) ON state;(b) OFF state

可通過(guò)二端口網(wǎng)絡(luò)Y參數(shù)矩陣和傳輸矩陣來(lái)計(jì)算微帶線LM與LN并聯(lián)后的阻抗與相位特性?；诙丝诰W(wǎng)絡(luò)的Y參數(shù)矩陣和傳輸矩陣的轉(zhuǎn)換關(guān)系式(2)和式(3),可將一條微帶線表示成Y參數(shù)矩陣的形式(式(4))。

再由微帶線LN和LM的并聯(lián)關(guān)系,可求解圖5(a)中整個(gè)阻抗變換器等效的微帶傳輸線Lc,off的Y參數(shù)矩陣為:

對(duì)比等效微帶線的Y參數(shù)矩陣式(5)與單根微帶線的Y參數(shù)矩陣式(4),可得微帶線Lc,off與LM和LN之間的關(guān)系式(6)和式(7):

基于前文中阻抗變換器處于導(dǎo)通狀態(tài)的性質(zhì),若需達(dá)到相位變換的效果,處于截止?fàn)顟B(tài)下的微帶線Lc,off應(yīng)達(dá)到Zc=Z1,θc=-θ1的特性。將這兩個(gè)條件代入式(6)和式(7)中可推導(dǎo)出:

求解式(8)和式(9)可得,相位轉(zhuǎn)換器中兩支路的阻抗和相位間的關(guān)系為:

2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)仿真

基于上述機(jī)理分析,并結(jié)合饋電網(wǎng)絡(luò)的相位重構(gòu)需求,設(shè)計(jì)了±45°,±90°兩款相位變換器。圖6 和圖7 分別為相位重構(gòu)器的仿真S參數(shù)圖和輸出端相位仿真圖,從中可以看出,在導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)下兩者均匹配良好,且能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)相位的切換。

圖6 相位重構(gòu)器的仿真S 參數(shù)。(a)±45°;(b)±90°Fig.6 Simulated S-parameters of the phase converter.(a) ±45°;(b) ±90°

圖7 相位重構(gòu)器的相位仿真。(a)±45°;(b)±90°Fig.7 Simulated phases of the phase converter.(a)±45°;(b)±90°

PIN 二極管在饋電網(wǎng)絡(luò)和天線中承擔(dān)著開(kāi)關(guān)的作用,其自身特性也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)和天線的性能。在理想情況下,二極管處于導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的阻抗分別是0和+∞。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),二極管采用的模型應(yīng)為圖4 的等效電路。下面首先基于仿真分析對(duì)比二極管采用理想模型和實(shí)測(cè)模型時(shí)天線性能的區(qū)別。

圖8 給出了PIN 二極管采用理想模型和實(shí)測(cè)模型時(shí)±90°相位轉(zhuǎn)換器的相位值對(duì)比。由圖8 可清楚地看出二極管的理想模型對(duì)相位轉(zhuǎn)換器的相移量影響較大。這是由于相較理想模型,二極管的實(shí)測(cè)模型考慮了容性和感性。因此,準(zhǔn)確地提取PIN 二級(jí)管的性能參數(shù)以提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性是十分必要的。

圖8 ±90°相位轉(zhuǎn)換器的相位仿真Fig.8 Phase simulation of the ±90° phase converter

選取單個(gè)天線單元與±90°相位轉(zhuǎn)換器進(jìn)行聯(lián)合仿真,圖9 為PIN 二極管采用理想模型和實(shí)測(cè)模型時(shí)天線單元的S參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯鲈趯?dǎo)通狀態(tài)下,二級(jí)管的模型會(huì)對(duì)天線阻抗匹配產(chǎn)生一定的影響,但對(duì)天線中心工作頻率點(diǎn)的影響較小。而在截止?fàn)顟B(tài)下,二級(jí)管的模型對(duì)S11的影響可忽略不計(jì)。

圖9 天線單元的回波損耗。(a)正向?qū)顟B(tài);(b)反向截止?fàn)顟B(tài)Fig.9 Return losses of the antenna unit.(a) Forward conduction state;(b) Reverse cut-off state

在設(shè)計(jì)完相位轉(zhuǎn)換器之后,基于圖2 中的原理框圖,仿真設(shè)計(jì)了可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)。將設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)與陣列天線進(jìn)行聯(lián)合仿真,并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)節(jié)饋電網(wǎng)絡(luò)的性能。由仿真結(jié)果得知,通過(guò)調(diào)整各PIN 二極管上的偏置電壓,可實(shí)現(xiàn)陣列天線輻射方向圖的重構(gòu)。表2 給出在不同工作模式下各PIN 二極管的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)以及陣列天線主波束的偏轉(zhuǎn)角度。

表2 PIN 二極管的工作狀態(tài)Tab.2 Working states of PIN diode

圖10 給出了饋電網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果?？梢?jiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)在各工作狀態(tài)下均匹配良好、信號(hào)輸出分布均勻。圖11 給出了饋電網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)工作狀態(tài)下的相位分布,從仿真結(jié)果可見(jiàn),各工作狀態(tài)下所需的激勵(lì)相位均可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)的性能,同時(shí)證明了所設(shè)計(jì)的相位轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。

圖10 饋電網(wǎng)絡(luò)S 參數(shù)的仿真結(jié)果。(a)+40°;(b)+15°;(c)-15°;(d)-40°Fig.10 Simulated S-parameters of the feeding network.(a) +40°;(b) +15°;(c) -15°;(d) -40°

圖11 饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口相位的仿真結(jié)果。(a)+40°;(b)+15°;(c)-15°;(d)-40°Fig.11 Phase simulation of the feeding network.(a) +40°;(b) +15°;(c)-15°;(d)-40°

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的陣列天線性能,加工并測(cè)試了天線實(shí)物。天線的上中層基板間的空隙通過(guò)1.1 cm 高的尼龍柱支撐,同時(shí)將L 型探針焊接于下層基板的饋電網(wǎng)絡(luò)上。圖12 為天線的實(shí)物圖。

圖12 天線實(shí)物圖。(a)輻射貼片部分;(b)饋電網(wǎng)絡(luò)部分Fig.12 The photograph of the fabricated antenna.(a) Radiating patches;(b) Feeding network

圖13 天線的S11仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果。(a)±40°;(b)±15°Fig.13 Simulated and measured S11 of the antenna.(a) ±40°;(b) ±15°

圖14 為天線增益仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果,驗(yàn)證了天線在各工作狀態(tài)下能分別向+40°,+15°,-15°以及-40°方向輻射右旋圓極化波。天線的最高增益為6.48 dBi,各工作模式下的增益波動(dòng)小于1.2 dB。當(dāng)主波束分別指向+40°,+15°,-15°和-40°時(shí),天線隨工作頻率變化的軸比和增益如圖15 所示。當(dāng)主輻射波束指向+15°時(shí),天線的軸比帶寬(AR<3 dB) 最小為12%(2.33～2.62 GHz)。各工作狀態(tài)下天線的軸比重疊帶寬也超過(guò)了10%。對(duì)比天線的測(cè)試與仿真結(jié)果,可以看到,該方向圖可重構(gòu)陣列天線實(shí)現(xiàn)了較好的性能。

圖14 方向圖可重構(gòu)天線增益仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果。(a)+40°;(b)+15°;(c)-15°;(d)-40°Fig.14 Simulated and measured gain of the pattern reconfigurable antenna.(a)+40°;(b) +15°;(c) -15°;(d) -40°

圖15 方向圖可重構(gòu)天線軸比和增益仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果。(a)+40°;(b)+15°;(c)-15°;(d)-40°Fig.15 Simulated and measured axial ratio and gain of the pattern reconfigurable antenna.(a) +40°;(b) +15°;(c) -15°;(d) -40°

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性和有效性,但是陣列天線的測(cè)試性能相比于仿真結(jié)果仍存在較小的偏差。與仿真模型相比,天線實(shí)物的加工精度和非理想的集總元件會(huì)造成一定的性能偏差。經(jīng)過(guò)深入分析,造成誤差的主要因素來(lái)自于L 型探針和PIN 二極管。在天線實(shí)物加工中,受限于實(shí)際條件,手動(dòng)加工的L型探針的彎曲度、長(zhǎng)度及位置[14]無(wú)法精確控制,與仿真模型相比可能存在一定的偏差,從而一定程度上影響了天線陣列的阻抗匹配性能并削弱了輻射性能。另一方面,PIN 二極管的實(shí)際性能與仿真中的模型有一定的偏差會(huì)直接影響?zhàn)侂娋W(wǎng)絡(luò)的匹配性能和相移特性[15]。此外,饋電網(wǎng)絡(luò)中使用的集總元件也會(huì)引入損耗,在一定程度上降低了天線的增益。

4 結(jié)論

本文提出了一種方向圖可重構(gòu)圓極化陣列天線。通過(guò)設(shè)計(jì)可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò),天線陣列的主輻射方向?qū)崿F(xiàn)了在+40°,+15°,-15°和-40°四個(gè)角度的偏轉(zhuǎn)。重構(gòu)機(jī)理和天線實(shí)物的設(shè)計(jì),驗(yàn)證了基于相位轉(zhuǎn)換器的新型可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)能提高設(shè)計(jì)的自由度。測(cè)試結(jié)果表明,天線陣列在各工作模式下的重疊阻抗帶寬(|S11| <-10 dB)和重疊軸比帶寬(AR <3 dB)分別為22% (2.2～2.74 GHz)和12.2% (2.3～2.6 GHz),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的方向圖可重構(gòu)天線具有較好的性能,可有效地應(yīng)用于現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)。