S 波段Y 形饋電的極化可重構圓形貼片天線

許立強，陳倩，劉長軍

四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064

目前，極化分集技術在無線通信系統中占有重要地位。極化分集技術可以節省頻帶資源，提高信道容量、對抗信道衰落[1]。極化可重構天線可以方便地改變極化特性。圓極化與線極化方式相比，在抗極化旋轉、抗干擾以及抗多徑效應等方面具有突出的優勢[2]。因此，可重構圓極化天線非常適合于極化分集技術。近些年，有許多用于極化分集的可重構微帶天線被廣泛研究[3-8]。常見的方法是使用射頻開關來重構輻射單元。射頻開關的偏置線直接連接到輻射單元上，會對天線的輻射性能產生影響[3-5]。另一種可行的實現方法是重構天線的饋電結構[6-9]。本文提出了一種采用漸變的Y 形饋線的極化可重構圓形貼片天線。該天線利用直接饋電和耦合饋電2 種方式之間存在的相位差來實現天線的圓極化，輻射貼片和饋線之間連接2 個PIN 二極管作為開關，通過偏置電壓來控制二極管的通斷，實現天線的可重構。文中分析了天線的工作機理，給出了天線的結構和參數，以及仿真和測量的結果。該天線結構簡單緊湊，便于加工，在無線通信和無線能量傳輸等領域具有潛在應用價值[10-12]。

1 天線設計及原理

常見的微帶貼片天線的饋電結構可以分為直接饋電和耦合饋電，本文提出的天線將這2 種饋電方式相結合，利用兩者之間產生的相位差，來實現天線的圓極化。該天線的輻射單元為圓形貼片，Y 形饋線的2 條分支成圓弧形，輻射貼片和饋線之間存在一個縫隙。當輻射貼片與饋線的一側分支連通時為直接饋電，另外一側為耦合饋電。通常耦合饋電的電流與直接饋電的電流存在相位滯后。通過調節輻射貼片與饋線連接點的位置，使相位差接近90°，就可以使天線實現良好的圓極化特性。

通過仿真發現：當輻射貼片與饋線左側分支連通，且連接點與圓心的連線和天線的中軸線成接近45°角時，天線的極化方式為左旋圓極化。由于天線為左右對稱結構，當輻射貼片與右側分支連接時，天線的極化方式則為右旋圓極化；當饋線的2 條分支都不與輻射貼片直接連接時，天線的饋電方式為耦合饋電，極化方式則為線極化。

基于PIN 二極管控制饋線與輻射貼片的連接，利用其開關特性，就可以實現天線極化的可重構。通過偏置電路控制PIN 二極管的通斷，就可以改變天線的極化。由于輻射貼片中心處的電流很弱，所以可以在此處插入一個金屬化過孔，方便偏置電路的實現。偏置電路由四分之波長的奇數倍的高阻抗線和一個等效為接地電容的貼片組成，不影響天線饋線的阻抗[13]。

為了減小饋線和偏置電路對輻射單元的影響，在饋線兩邊對稱地設置了2 個金屬地，使天線具有更好的輻射性能。

2 天線結構與仿真

對天線進行仿真和優化后得到其正面的結構和具體尺寸如圖1 所示。饋線的輸入阻抗為50 Ω，在饋線中部有一個寬度為0.7 mm 的縫隙，在此處插入了一個27 pF 的貼片電容用來將直流和射頻隔開。分支的寬度逐漸變窄，可以更好地實現阻抗匹配。

圖1 天線結構

輻射貼片和饋線之間的距離為1 mm，在縫隙中插入2 個方向相反的PIN 二極管，二極管所在的位置和圓心的連線與天線的中軸線成45°角。當一個二極管處于導通狀態，另一個處于截止狀態時，就會構成一個不對稱的饋電結構，此時天線工作在圓極化模式；而當2 個PIN 二極管都處于截止狀態時，天線的電流分布左右對稱，工作在線極化狀態。本文使用的PIN 二極管的型號為SMP1345，正向導通電壓為0.89 V。天線的工作模式與其所對應的偏置電壓和二極管狀態如表1 所示。

表1 天線工作模式

當PIN 二極管# 1 處于導通狀態時，# 2 處于截止狀態，圓形貼片與Y 形饋線的左側分支線直接連通，與右側分支線耦合，這2 種饋電結構存在相位差，使天線處于不對稱的狀態，在這種情況下電流順時針旋轉，天線工作在左旋圓極化模式，貼片和Y 形饋線的面電流分布如圖2 所示。當PIN 二極管# 1 處于截止狀態，# 2 處于導通狀態時，圓形貼片與Y 形饋線的右側分支線直接連通，這時電流逆時針旋轉，天線工作在右旋圓極化模式。當 # 1 和# 2 均處于截止狀態時，圓形貼片上的面電流分布左右對稱，天線工作在線極化模式。

圖2 天線左旋圓極化面電流分布仿真

3 測試結果對比與分析

天線實物圖如圖3 所示，采用相對介電常數為4.4、厚度為1.6 mm 的FR4 介質板加工。天線尺寸為70 mm×75 mm，圓形貼片的半徑為16 mm。天線的S參數測試使用Agilent 矢量網絡分析儀，軸比和方向圖測試使用近場天線測試儀RFxpert和微波暗室。

圖3 天線實物

天線工作在圓極化模式時的S參數仿真和測量結果對比如圖4 所示。由于該天線結構對稱，所以當天線在左旋或右旋圓極化模式下工作時，會得到相似的反射系數，實測10 dB 回波損耗的相對帶寬約為6.6%。軸比的仿真和測量結果對比如圖5 所示，實測3 dB 軸比的相對帶寬約為1.2%。

圖4 圓極化S 參數仿真和測試結果對比

圖5 軸比仿真和測試結果對比

在2.53 GHz 時測得的右旋圓極化的軸比的最小值約為0.2 dB，此時測得左旋圓極化的軸比約為1.1 dB，這可能是由天線的加工誤差導致天線的結構不完全對稱引起的。天線在2.53 GHz下的仿真和測量的二維方向圖如圖6 所示，當天線在左旋和右旋圓極化模式下工作時，峰值增益的測量值均約為2.8 dBi。天線放置方向的xz面和yz面如圖1 所示。

圖6 2.53 GHz 時圓極化仿真和測試方向圖

天線工作在線極化模式時的S參數仿真和測量結果對比如圖7 所示，實測10 dB 回波損耗的相對帶寬約為1.5%。在2.56 GHz 下的仿真和測量的二維方向圖如圖8 所示，xz面為天線的E面，峰值增益的測量值約為2.7 dBi。從仿真和測量的結果可以看出，2 個PIN 二極管的開關狀態的切換可以實現天線的極化重構。各個狀態下的仿真與測量結果基本吻合。

圖7 線極化S 參數仿真和測試結果對比

圖8 2.56 GHz 時線極化仿真和測試方向圖

4 結論

本文設計了一種S 波段的極化可重構圓形貼片天線。

1）將直接饋電和耦合饋電2 種方式相融合，設計了一種Y 形饋電結構的S 波段貼片天線，實現了天線的圓極化饋線的2 條分支成圓弧形，寬度逐漸變窄，可以更好地實現阻抗匹配。在饋線的兩側加上金屬地結構，用來減小饋線和偏置線對輻射貼片的影響。

2）通過偏置電壓來控制2 個PIN 二極管的通斷，實現天線在左旋、右旋圓極化和線極化3 種模式之間的切換。

3）該天線在工作頻帶內，具有良好的輻射特性，結構簡單緊湊，便于加工，在通信、雷達和無線能量傳輸等領域具有潛在應用價值。