基于有源頻率選擇表面的波束掃描天線設(shè)計(jì)

喬惠民，陳星

（四川大學(xué)，四川成都，610000）

0 前言

室內(nèi)終端天線往往選擇全向特性以保證通信信號能覆蓋到房間里的每一個(gè)角落。然而，當(dāng)人們的活動(dòng)區(qū)域固定或多人聚集在某一區(qū)域時(shí)，繼續(xù)采用全向天線便會(huì)出現(xiàn)信號能量浪費(fèi)和容量不足等問題。針對這一問題，研究人員希望采用靈活的波束掃描天線來實(shí)時(shí)地根據(jù)用戶需要對室內(nèi)信號重新分配，從而提高通信質(zhì)量。此外，波束掃描天線的其他顯著特性，如提高傳輸距離、減少多徑效應(yīng)和提高通信容量，使其在軍事、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和基站的點(diǎn)對多點(diǎn)通信系統(tǒng)中有著無限的應(yīng)用潛力。因此，波束掃描天線具有重要的研究價(jià)值。

波束掃描天線的實(shí)現(xiàn)方式有很多，例如傳統(tǒng)的相控陣天線便是利用移相器對每一陣元的相位進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)天線合成波束的切換與掃描。然而，移相器價(jià)格往往比較昂貴，因此整個(gè)天線系統(tǒng)的成本會(huì)大幅增加。此外，由于陣元間的耦合影響，當(dāng)掃描角度增大到60°后天線波束的增益便會(huì)出現(xiàn)大幅降低，這些都限制其在對信號需要大范圍覆蓋方面的應(yīng)用。另一種方法便是使用Butler矩陣，但是它與天線陣列的集成非常復(fù)雜，并且會(huì)占用著非常大的空間。有源頻率選擇表面因其制造簡單、低成本和快速響應(yīng)等特點(diǎn)被廣泛用來實(shí)現(xiàn)大角度甚至整個(gè)平面的波束掃描天線。文獻(xiàn)[7]中使用由PIN二極管控制有源頻率選擇表面和偶極子實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)方位平面的波束掃描，在2.45GHz時(shí)的增益達(dá)到10dBi；為進(jìn)一步提高天線增益，文獻(xiàn)[8]使用電磁耦合同軸偶極子陣列代替典型的偶極子，在2.1GHz處實(shí)現(xiàn)13dBi的高增益，但是相對帶寬只有6%；文獻(xiàn)[9]將相位補(bǔ)償方法應(yīng)用于分析和設(shè)計(jì)加載變?nèi)荻O管的頻率選擇表面，該天線實(shí)現(xiàn)了水平面全覆蓋并在2.45GHz處獲得了13.3dBi的高增益，同時(shí)滿足20°的掃描精度?，F(xiàn)有基于有源頻率選擇表面波束掃描天線為追求高增益特性，一般會(huì)采用偶極子或陣列作為輻射天線，但是這樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)天線的剖面很高，并進(jìn)一步引起頻率選擇表面單元數(shù)量的增加，進(jìn)而使得大量的有源元件被使用，最終導(dǎo)致天線成本、復(fù)雜度和不確定性大大增加。因此，如何減少所使用的有源元件數(shù)量便顯得十分重要。

本文提出了一種新的基于頻率選擇表面的波束掃描天線方案。該方案采取單極子作為內(nèi)部的全向輻射天線，以減少整個(gè)天線的剖面高度，從而減少所需有源頻率選擇表面的數(shù)量。另外，對典型的頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)其工作特性只需一個(gè)PIN二極管便可完成控制，進(jìn)一步減少有源元件的數(shù)量。最后，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，對工作在2.45GHz的波束掃描天線系統(tǒng)進(jìn)行加工并完成測試。

1 天線設(shè)計(jì)、工作原理和參數(shù)分析

■1.1 有源頻率選擇表面單元設(shè)計(jì)

圖1是所設(shè)計(jì)的混合型有源頻率選擇表面單元。該單元由兩個(gè)半矩形金屬環(huán)和一個(gè)不連續(xù)的金屬線組成，無需偏置電路。整個(gè)單元刻蝕在F4B-2基板的一側(cè)，相對介電常數(shù)

ε

=2.65，厚度h=2mm。在金屬線的不連續(xù)處插入PIN二極管，這里選取Infineon公司的BAR64-02V型號的二極管來重構(gòu)頻率選擇表面的電磁特性。根據(jù)BAR64-02V的數(shù)據(jù)手冊，該二極管在導(dǎo)通狀態(tài)下時(shí)等效為1.5Ω電阻與0.6nH電感的串聯(lián)電路；在斷開狀態(tài)時(shí)等效為3kΩ的電阻與0.17pF電容的并聯(lián)電路，如圖1(c)所示。為了使頻率選擇表面在2.45GHz處獲得高質(zhì)量的透射和反射特性，使用全波仿真軟件對圖1(a)中標(biāo)記的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得的最佳單元尺寸分別為1=w=25mm，w=20mm，w=18mm，d=8mm，t=1mm和d=0.6mm。

圖1 頻率選擇表面單元

利用電磁仿真軟件HFSS場路聯(lián)合仿真的方法對單元進(jìn)行仿真，采用unitcell邊界條件模擬無限大邊界陣列，F(xiàn)loquet端口提供電磁波垂直入射，電場方向與PIN二極管方向平行。圖2給出了所設(shè)計(jì)的混合型有源頻率選擇表面單元的傳輸特性?？梢钥闯?，在PIN二極管關(guān)斷時(shí)，該單元在2.45GHz處的透射系數(shù)T= -24dB，可認(rèn)為表現(xiàn)為阻帶特性，即和金屬板一樣對所入射電磁波不能通過該頻率選擇表面；當(dāng)PIN二極管導(dǎo)通時(shí)，該單元在2.45GHz處的透射系數(shù)T=0dB，可認(rèn)為表現(xiàn)為通帶特性，即和空氣一樣即入射電磁波可無損的通過該頻率選擇表面。因此，所設(shè)計(jì)的混合型頻率選擇表面能夠通過改變PIN二極管的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在2.45GHz處帶通/帶阻工作狀態(tài)的切換。

圖2 頻率選擇表面的透射系數(shù)

■1.2 天線結(jié)構(gòu)及工作原理

基于有源頻率選擇表面的波束掃描天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖3所示，由一個(gè)簡單的單極子天線和10列有源頻率選擇表面組成。單極子天線采用直徑為2mm的金屬柱與底部覆銅的FR4介質(zhì)板構(gòu)成，用來充當(dāng)內(nèi)部源天線以產(chǎn)生全向輻射波。由于天線最終要完成整個(gè)水平面的掃描，因此將10列有源頻率選擇表面構(gòu)成一個(gè)圓柱均勻的分布在單極子天線周圍，其中每列頻率選擇表面是由A部分所設(shè)計(jì)的4個(gè)單元構(gòu)成。

圖3 基于有源頻率選擇表面的波束掃描天線

該天線的工作機(jī)理如下：圓柱型有源頻率選擇表面被分成相等的兩個(gè)部分，其中一部分中的所有二極管均導(dǎo)通，將透射單極子所輻射的電磁波；而另一部分中的所有二極管均關(guān)斷，將反射單子所輻射的電磁波。因此，單極子輻射的全向波束經(jīng)過外圍的頻率選擇表面后就成了定向波束。再通過切換每列頻率選擇表面上二極管的工作狀態(tài)，該定向波束可以在整個(gè)方位面上實(shí)現(xiàn)360°掃描特性，從而保證整個(gè)水平面的信號覆蓋。

■1.3 天線參數(shù)分析

根據(jù)天線輻射原理，天線的輻射增益與天線口徑面積有關(guān)，而該天線的高度H已經(jīng)固定，因此整個(gè)天線的等效孔徑大小由圓柱半徑R和表現(xiàn)為透射狀態(tài)下的頻率選擇表面列數(shù)N決定。圖4(a)給出了圓柱半徑R對該波束掃描天線的影響?？梢钥闯觯?dāng)圓柱半徑R=43mm時(shí)，天線獲得最大的增益。同樣，在圖4(b)中注意到當(dāng)5列頻率選擇表面的二極被導(dǎo)通時(shí)，天線獲取到最大的增益。另外，波束掃描天線的其他參數(shù)也被優(yōu)化以獲得最佳的輻射性能和阻抗特性，最終的參數(shù)尺寸分別為H=120mm，R=43mm，H=28mm，和R=25mm。

圖4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對天線增益的影響

2 天線仿真結(jié)果與測試對比

為驗(yàn)證波束掃描天線的可行性，制作了天線實(shí)物并進(jìn)行了測試，如圖5所示。 這里使用尼龍柱來單極子固定在圓柱型頻率選擇表面的中心。在每列頻率選擇表面的頂部與底部使用兩條偏置線來為二極管供電，并使用兩個(gè)18nH的電感將頻率選擇表面與偏置電源隔離開。天線反射系數(shù)由安捷倫的N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量，輻射方向圖在微波暗室中測量獲得。

圖5 天線實(shí)物圖

考慮到天線的幾何對稱性，僅提供在

φ

=0°時(shí)的天線反射系數(shù)測量結(jié)果，如圖6所示。結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果有著很好的吻合度。仿真和實(shí)測的天線工作帶寬分別為 14.2% (2.23～2.58GHz)和 13.4% (2.25～2.58GHz)，這部分的差異是由測量誤差引起的。圖7給出了該天線的輻射特性。該天線產(chǎn)生了具有低后瓣特性的定向波束，前后比為15dB，其在E面和H面的波束寬度分別為64°和73°。另外從圖6還可以看出，該天線在其整個(gè)工作頻率的增益都大于6dBi，在2.45GHz處的仿真和實(shí)測增益分別為8.2dBi和7.95dBi，減少的部分主要是因?yàn)槎O管和介質(zhì)板的損耗。圖8給出了天線在H平面不同指向的輻射方向圖，可以看出該天線能完成整個(gè)水平面的掃描，并且掃描精度可以達(dá)到36°。需要指出的是，該波束掃描天線還可以通過調(diào)整每列頻率選擇表面工作狀態(tài)來產(chǎn)生多個(gè)波束。

圖6 波束掃描天線的反射系數(shù)和增益(φ=0°)

圖7 歸一化方向圖

圖8 天線在H面的掃描方向圖

3 結(jié)論

本文提出了一種新型的基于有源頻率選擇表面的波束掃描天線，該天線采用單極子天線以降低整個(gè)天線剖面高度，設(shè)計(jì)僅由一個(gè)PIN二極管控制的頻率選擇表面單元，減少了天線所用的有源元件數(shù)量。通過改變所集成二極管的工作狀態(tài)，頻率選擇表面可以在透射與反射之間切換，進(jìn)而讓由放置在圓柱型頻率選擇表面中間的單極子天線的輻射方向圖由全向轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ?，并不斷切換二極管的工作狀態(tài)使得波束在整個(gè)水平面完成掃描需求。實(shí)測結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的波束掃描天線的工作頻率為2.45GHz，主波束可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)水平面的掃描，掃描精度為36°，并且天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)的增益都大于6dBi，峰值增益是7.95dBi。該波束掃描天線可用于智能通信系統(tǒng)中。