一種低剖面可重構全向圓極化天線的設計

黃 杰, 孫虎成

(南京信息工程大學應用電磁學研究中心， 江蘇南京 210044)

0 引言

在現代無線通信系統中，極化可重構天線已經引起了大量的關注，形成了廣泛的應用。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的性能。極化可重構天線在增強系統通信能力同時可降低多徑干擾。另外一方面，水平面上輻射范圍達360°的全向天線因其較大的覆蓋范圍優勢，也被廣泛應用在各類無線移動通信系統、雷達系統、傳感器網絡等技術領域。

近幾年，順應現代無線通信技術的迅速發展，人們提出了多種可重構全向圓極化天線。如文獻[15]報道了一個具有6個偶極子的可重構圓極化全向天線，通過控制偶極子天線單元上的48個PIN二極管實現圓極化狀態的切換。文獻[16]提出了一個具有9根短路柱的可重構全向圓極化天線，通過調控PIN二極管狀態改變天線單元的電流路徑從而實現圓極化方式的切換。文獻[17]提出的設計是通過饋電網絡控制1×4交叉偶極子天線實現狀態的切換。文獻[18]提出了一個包含有環形偶極子和錐形天線的可重構圓極化天線，利用饋電網絡的設計拓寬了天線的軸比帶寬，通過調節饋電網絡中的12個PIN二極管可以實現水平、垂直和左右旋圓極化四種輻射狀態。上述研究工作主要采用兩種方式調控天線的極化，即在天線單元或饋電路徑上添加PIN二極管。在天線單元數目較多和饋電網絡較復雜時，需要采用較多數量的PIN二極管才能實現極化的可重構。而使用過多PIN二極管會增加設計復雜程度，同時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全向圓極化天線。天線的主體結構設計在一個雙層圓形基板上，通過PIN二極管控制饋電網絡中的緊湊二階3 dB耦合器來切換天線左右旋圓極化狀態。本文將對天線的結構、仿真設計和測試作詳細的介紹，并對仿真與測試結果進行對比分析。

1 可重構全向圓極化天線設計

1.1 天線結構

圖1展示了設計的可重構全向圓極化天線結構。設計天線的橫截面積為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計天線的上層和中層。單極子天線的饋電點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設頻段內工作。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構與饋電網絡相連處于天線下層。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，經過仿真優化將偶極子輻射臂的部分枝節經通孔延伸至天線的上層。天線是用Ansoft HFSS進行仿真設計，優化后的結構參數如表1所示。

圖1 可重構全向圓極化天線結構

表1 可重構全向圓極化天線的結構參數

續表

1.2 饋電網絡設計

圖2是天線饋電網絡的原理框圖。設計的饋電網絡主要包含一個緊湊二階3 dB耦合器和一單刀雙擲開關電路。天線通過饋電網絡以不同的相位差同時激勵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 饋電網絡框圖

圖3是饋電網絡中3 dB耦合器的等效電路圖，為一個二階的3 dB耦合器。相比于傳統的3 dB耦合器，本設計通過微帶線優化布局有效地實現了二階3 dB耦合器尺寸小型化，并且在一個較寬的頻段內，該耦合器可以同時實現能量均分和穩定相移。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電路的原理圖，其中PIN二極管承擔著開關的作用，可通過改變二極管的通斷狀態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。當二極管、導通時，端口、均短路接地，饋電網絡處于非工作狀態。當二極管、斷開，導通時，信號從端口輸入；當二極管、斷開，導通時，信號從端口輸入。可以看出當通過調控二極管打開二階耦合器、其中一個端口，對應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。根據這一特性可以用來調整垂直與水平極化波之間的相位差，從而產生左右旋圓極化。

圖3 3 dB耦合器的等效電路圖

圖4 單刀雙擲開關原理圖

圖5給出了可調饋電網絡的仿真結果。該可調網絡的回波損耗在2.0～3.6 GHz頻段內保持在-10 dB以下。在頻段2.4～3.0 GHz可調饋電網絡可實現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。仿真結果驗證了網絡設計的合理性。

圖5 可調饋電網絡的仿真結果

2 重構機理

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絡控制。在遠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=π2時，天線的總場為左旋圓極化；當=-π2時，天線輻射右旋圓極化波。通過控制饋電網絡中PIN二極管改變天線的輻射模式，饋電網絡中各狀態下的偏置電壓如表2所示。

表2 左右旋圓極化下的偏置電壓

2.1 左旋圓極化

天線通過饋電網絡同時激勵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生左旋圓極化。如圖6當偏置電路中端輸入為6 V、端輸入為+3 V、端置零時，二極管、導通，、截止。此時，端口處于工作狀態，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。因此在遠場上天線輻射的總場可表示為

圖6 左旋圓極化網絡饋電路徑示意圖

(2)

天線輻射全向左旋圓極化波。

2.2 右旋圓極化

如圖7當偏置電路為0 V，依然是+3 V，置+6時，端口工作，接地。二極管、導通，、截止。相比于左旋圓極化狀態，右旋圓極化狀態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。此時天線處于右旋圓極化工作狀態，遠場上天線輻射的總場可表示為

(3)

圖7 右旋圓極化網絡饋電路徑示意圖

3 實驗與結果

為了驗證低剖面可重構全向圓極化的天線設計，加工、裝配并測試了天線實物。由于該天線包含較多的層板、通孔和集總元件，在裝配時需要將兩層基板貼合并校準各通孔的位置，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，實際天線加工測試中使用SMA連接頭對天線進行信號輸入的。SMA的探針與天線地板相連于中層；金屬外層與饋電網絡焊接在天線下層以保持測試時的SMA頭的穩定連接。圖8是天線的實物圖片，測試結果與仿真結果基本吻合，實物天線可重構極化方式并輻射全向圓極化波。

圖8 天線實物照片

圖9是天線仿真與實測的||結果。天線在左右旋圓極化狀態下的阻抗帶寬(|| < -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下軸比帶寬(<3 dB)分別為7%(244～262 GHz)和10%(238～263 GHz)，兩種狀態的重疊軸比帶寬約為7%。圖11給出了245 GHz下天線各狀態的輻射方向圖。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°的范圍內天線均可以實現狀態切換和左右旋圓極化的輻射效果。饋電網絡的功率分配和相位切換功能在仿真與實測中均得到了驗證。

圖9 可重構全向圓極化天線的S11測試與仿真結果

圖10 可重構全向圓極化天線左右旋圓極化的軸比

(a) 左旋圓極化

實測中，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值與仿真設定值之間存在差異等原因導致。阻抗匹配影響饋電網絡功率分配功能和相移的效果，因而天線在測試實驗中與仿真存在差異。除此之外，部分饋電網絡同時與SMA連接頭金屬外層和PIN二極管、相連。在實驗測試轉動天線時，連接頭受力會造成相接的饋電網絡部分與基板和PIN二極管連接處存在松動。連接處松動產生的空隙會導致PIN二極管接觸不良并影響阻抗匹配，同時也削弱了饋電網絡的功能，降低了天線的性能。同時因為接頭焊接處為高集成區域，SMA連接頭的加入給焊接帶來難度。測試中連接頭因為焊接的原因一定程度上影響了天線的匹配狀態，同時連接頭自身的輻射作用也不可忽略，從而導致全向天線的性能也與仿真發生了偏差。雖然結果存在偏差，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 結束語

本文設計了一個低剖面全向圓極化天線，通過饋電網絡實現了該天線的工作狀態可重構。饋電網絡調控偶極子陣列和單極子天線在遠場上輻射的水平與垂直極化波間的相位差，從而產生了可切換的左右旋圓極化波。測試結果表明，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下全向輻射的增益波動均小于13 dB。本設計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。