一種等通量波束的多極化可重構天線

靳貴平 潘偉浩 黃玨泓 廖紹偉

（華南理工大學 電子與信息學院，廣東 廣州 510640）

極化可重構天線能在不同的極化狀態下保持工作頻率與方向圖不變，根據不同的應用場景改變其極化狀態。在移動通信、衛星通信中極化可重構天線能克服多徑衰落、極化失配等問題，從而改善信號的傳輸性能。由于近地軌道衛星天線輻射波束所覆蓋的地球表面是球面，因此波束通常設計為等通量的形式，即波束強度最大的方向應該指向覆蓋區域的兩側而不是傳統的軸向，但軸向方向上也應該有一定的輻射強度以保證區域內的通信質量。文獻［1］中提出了一種扼流環圓極化天線，其中呈降序排列的扼流環能有效控制波導口徑處電流分布，最終天線在方位面φ=0°，90°方向實現125°的圓極化等通量方向圖，增益為6 dBi。但值得注意的是，該天線只能實現一種圓極化狀態，當需要多種極化接收方式時，則需要多副天線，并不利于系統的集成。

依據極化可重構天線的極化模式，一般可以分為線極化可重構天線、圓極化可重構天線以及多極化可重構天線［2］。能在多種線極化模式中切換的天線稱為線極化可重構天線［3-4］。文獻［5］中提出一種基于多個偶極子結構的線極化可重構天線，4個偶極子按45°夾角順時針旋轉放置，并且由地面錐形巴倫提供激勵源，同時在激勵源與4個偶極子之間引入8個PIN管開關，通過切換開關的工作狀態天線實現0°、+45°、90°和-45°4種線極化工作模式。但該天線無法工作于圓極化模式，因此面對復雜環境帶來的極化失配、多徑效應問題顯然無法得到有效的解決。能夠在左旋圓極化（LHCP）與右旋圓極化（RHCP）工作模式中進行切換的天線稱為圓極化可重構天線［6-8］。相比于線極化天線，圓極化天線對旋向相反的圓極化波具有正交性，可避免多徑干擾與極化失配的問題，能大大提升通信質量。文獻［9］中基于短偶極子和小電流環模型，通過在輻射結構中加入48個PIN二極管開關，天線實現左旋圓極化與右旋圓極化工作狀態的切換，覆蓋GPS L1，但由于天線使用PIN管數量較多導致增益偏低，并且當接收線極化波時能量將損失一半。

基于線極化可重構天線與圓極化可重構天線的優勢，更多學者開始關注能在線極化與圓極化之間切換的多極化可重構天線［10-12］。實現圓極化，需要在天線上激勵起一組幅度相等相位相差90°的正交線極化波。文獻［13］中提出一種矩形微帶多極化天線，將4個PIN管放置在輻射貼片的4個直角處，通過改變開關的通斷狀態，天線實現兩種線極化與兩種圓極化狀態的切換。此外，線極化波也可以由一組正交的圓極化波組成，并且不需要旋向相反的圓極化波保證相位差90°，因此基于這種思路可以實現更加靈活的極化可重構天線［14］。文獻［15］中通過改變左旋圓極化波與右旋圓極化波之間的相位差，天線實現左旋圓極化、右旋圓極化以及任意角度線極化之間的切換，所有極化狀態的重疊阻抗帶寬為14%（覆蓋2.25～2.6 GHz），其中在2.45 GHz時天線最大增益為6.8 dBi。

不同波束寬度的等通量方向圖可以滿足不同高度、不同覆蓋區域衛星天線，多極化可重構技術能夠讓天線在復雜工作環境中解決多徑效應、極化失配等問題，因此將兩者相結合具有重要的研究意義。本文基于隔片圓極化器模型，提出一種等通量波束的多極化可重構天線。在圓波導口處引入扼流環實現波束賦形，天線能輻射出等通量波束。此外，通過切換饋電網絡中SP4T、SP2T開關的工作狀態，在不同的饋電條件下，天線沿軸方向實現左旋/右旋圓極化、-45°/+45°線極化4種極化可重構。

1 天線設計

1.1 帶扼流環的隔片極化器圓波導設計

等通量波束多極化可重構天線由帶扼流環的隔片極化器圓波導與可重構饋電網絡組成。帶扼流環的隔片極化器圓波導結構示意圖如圖1所示，主要包括帶“T”型槽的圓波導、隔片極化器、實心匹配圓柱、扼流環。圓波導的半徑a=21.2 mm，厚度t1=4 mm，并且內部嵌入一個階梯狀的隔片，用于產生圓極化波。通過優化階梯的高度、長度，能夠獲得較好的圓極化軸比。圓波導的兩側各開一個可將SMA接頭嵌入的孔，并且SMA接頭內芯與實心圓柱相接，實心圓柱起到改善阻抗匹配的作用。圓波導口外的四圈扼流環的高度、環半徑能有效控制參考地處表面波的傳播，從而控制天線口徑處電場的分布，通過優化參數，天線具有等通量輻射方向圖。此外，在波導口處引入4個“T”型槽，它們通過改變波導口處電場幅度與相位，使得天線在線極化狀態時，φ=0°，90°，-45°，+45°處方向圖頂部基本重合。表1給出圓波導各項參數優化后的值。

表1 帶扼流環的隔片極化器圓波導的參數值Table1 Parameters of septum polarizer circular waveguide with choke ring

圖1 帶扼流環的隔片極化器圓波導結構Fig.1 Circular waveguide structure of septum polarizer with choke ring

1.2 極化可重構原理分析

線極化波能夠分解成兩個正交的圓極化波。因此，在天線上同時激勵起正交的圓極化波可以合成出線極化波。圖2給出了一個簡單的雙端口輸入單端口輸出的多極化可重構天線模型，單端口激勵時天線可以輻射出左旋圓極化波或者右旋圓極化波。

圖2 多極化可重構天線原理圖Fig.2 Schematic diagram of multi-polarization reconfigurable antenna

具體給出如下定義，當端口1激勵時，天線在主輻射方向輻射出左旋圓極化波，其電場表達式為

式中，E0為圓極化波的輻射幅度，這里可以認為是實數，ω為角速度，t為時間，k為波數。同樣的，當端口2激勵時，天線則輻射出右旋圓極化波，其電場表達式為

接著，將式（3）、（4）進行矢量疊加可以得到天線輻射線極化波的電場表達式，由表達式可知合成的線極化波ELP1具有的方位角偏轉，結果如下：

同理，當天線兩側端口同時激勵，并且保證端口2相位超前端口1相位90°時，天線所產生的左旋圓極化波與右旋圓極化波則合成具有-方位角偏轉的線極化波ELP2，其電場表達式為

基于以上的公式推理，只需要為輻射結構設計合適的饋電電路，通過切換饋電電路中開關的狀態，在饋電電路輸出不同的激勵條件下，天線就能實現多極化可重構。

1.3 可重構饋電電路

可重構饋電電路由一個SP4T開關、兩個SP2T開關以及90°電橋組成，其中SP4T開關型號為SKY13575-639LF，SP2T開關型號為SKY13431-374LF，產商是Skyworks公司。承載各種器件的介質基板材料均用Rogers4003C，厚度為0.508 mm，相對介電常數為3.55，傳輸線結構采用接地共面波導（GCPW）。圖3（a）給出了饋電電路的原理圖，射頻信號從端口0由SMA接頭進入SP4T開關，通過偏置電路1確定射頻信號的走向。當天線需要輻射左旋圓極化波時，通道1輸出射頻信號，并經過SP2T開關1輸出到端口1，其余通道接上50 Ω匹配負載。當天線需要輻射+45°線極化波時，通道2輸出射頻信號，然后通過90°電橋產生端口1超前端口2所需要的相位差，最后射頻信號經過SP2T開關1、開關2由端口1、2同時輸出。同理，當天線需要輻射右旋圓極化波或者-45°線極化波，調節偏置電路1、2、3即可，其中天線實現不同極化狀態所需要的激勵條件如表2所示。

表2 天線工作模式Table 2 Operation modes of the antenna

將SP4T、SP2T開關焊接在已經制作好的PCB電路板上如圖3（b）、圖3（c）所示，并且為其制作合適的偏置電路用于控制開關的工作狀態。為了檢驗饋電網絡各部分的性能，選用安捷倫公司生產的兩端口矢量網絡分析儀測試SP2T、SP4T開關不同工作狀態下的插入損耗以及90°電橋的S參數與輸出相位情況，結果如圖4、5所示。圖4給出了SP2T、SP4T開關各通道實測的插入損耗。如圖4（a）所示，SP4T開關在4.6～5.4 GHz頻段內，各通道插入損耗均小于1.5 dB，廠商提供的數據是1.1 dB。如圖4（b）所示，SP2T開關在4.6～5.4 GHz頻段內，各通道插入損耗均小于1.57 dB，廠商提供的數據是1 dB。SP4T、SP2T實測插入損耗與廠商提供的數據有一定誤差，主要是由介質基板損耗、PCB加工、開關焊接等問題造成的。

圖5給出了90°電橋的實測S參數與輸出相位情況。如圖5（a）所示，在4.6～5.4 GHz頻段內|S11|小于-15 dB，端口1與端口4的隔離度大于12.5 dB，其中在5 GHz時，|S21|=|S31|≈-3.45 dB，與理論值-3 dB十分接近。如圖5（b）所示，在4.6～5.4 GHz頻段內端口2、3之間實測相位差為81°～89°，其中在5 GHz時，2、3端口間相位差為86°，實測與仿真之間誤差小于5.8°。

圖5 90°電橋的實測結果Fig.5 Measured results of 90° bridge

2 天線分析

天線輻射口徑的電場分布可以有效反映天線的極化狀態與工作原理，通過研究天線輻射面在一個周期內電場矢量的分布情況，可以判斷出天線的極化狀態。當圓波導單側饋電時，隔片將圓波導內的電場分解成垂直于隔片的電場分量E⊥與平行于隔片的電場分量E∥，其中E⊥基本不受影響，而E∥被隔片擾動，通過調整隔片階梯數、階梯厚度與高度，保證兩個正交的電場分量相位差90°，實現圓極化的效果。圖6給出在5 GHz時天線工作于圓極化狀態下，一個正弦周期內電場矢量在天線輻射口徑處的分布情況。圖6（a）給出端口1饋電時，天線工作于左旋圓極化模式，而圖6（b）給出端口2饋電時，天線工作于右旋圓極化模式。圖6表明隨著時間增加，在左旋圓極化或右旋圓極化時，電場矢量幅度保持不變，旋向為順時針或者逆時針。

圖6 天線在5 GHz圓極化狀態下的電場分布Fig.6 Electric field distribution at 5 GHz in circular polarizations

當圓波導雙側饋電并保證兩個端口間相位差為90°時，天線輻射出線極化波。圖7給出在5 GHz時天線工作于線極化狀態下，一個正弦周期內電場矢量在天線輻射口徑處的分布情況。圖7（a）為端口1、2等幅饋電，并且保證端口1超前端口2相位90°，天線工作于+45°線極化，圖7（b）為端口1、2等幅饋電，并且保證端口2超前端口1相位90°，天線工作于-45°線極化狀態下。圖7反映在一個正弦周期內，天線工作于+45°/-45°線極化時，電場矢量幅度不變，方向沿著+45°/-45°變化。

圖7 天線在5 GHz線極化狀態下的電場分布Fig.7 Electric field distribution at 5 GHz in linear polarizations

扼流環結構能夠有效控制參考地處表面波的傳播，從而控制天線口徑處電場分布，使天線輻射出等通量波束。以左旋圓極化狀態為例，圖8給出了有無扼流環結構電場矢量分布圖。從圖中可以看到，當圓波導口外無扼流環結構的時候，電場在波導口處均勻向外輻射；當圓波導口外引入扼流環結構后，電場受扼流環結構的影響，傳播方向發生了一定的改變，對原輻射波束實現賦形效果。

圖8 扼流環對輻射電場的影響Fig.8 Effect of choke rings on radiation electric field

此外，圖9給出了該狀態下有無扼流環結構方向圖的對比。由圖9可知，當天線無扼流環時，方向圖具有定向性好、增益高的輻射效果；當天線存在扼流環時，方向圖頂部在θ角為-26°～+26°范圍內具有平坦的效果，并且中心處增益下降約0.7 dB。

圖9 扼流環對方向圖的影響Fig.9 Effect of choke rings on radiation pattern

但是僅僅存在扼流環只能保證天線在不同極化狀態下φ=0°，90°時，方向圖頂部基本重合，無法保證天線在線極化狀態下φ=-45°，0°，+45°，90°時，方向圖的頂部均基本重合。為了實現這樣的設計要求，在圓波導口處設計4個“T”型槽結構，它們能夠改變波導口處電場幅度與相位，使得天線工作于線極化狀態下，φ=-45°，0°，+45°，90°時方向圖頂部基本重合。圖10給出了天線輻射方向圖在+45°線極化狀態下波導口有無“T”型槽的對比。由圖10可知，當天線波導口處無“T”型槽時，φ=-45°或+45°的方向圖重合度低，而φ=0°與90°的方向圖基本重合。當天線波導口處開了4個“T”型槽時，φ=-45°或+45°的方向圖頂部基本重合，并且與φ=0°與90°的方向圖也基本重合。這是因為開在波導口處的“T”型槽通過改變波導口的輻射電磁場相位而實現波束賦形。

圖10 “T”型槽對方向圖的影響Fig.10 Effect of T-slot on radiation pattern

結構參數的變化會對天線阻抗匹配與輻射性能產生較大的影響，由于天線結構完全對稱，因此此處只給出左旋圓極化與+45°線極化狀態的參數分析。圖11、圖12給出了圓波導半徑a、實心匹配柱高度hm對天線阻抗匹配的影響。由圖11可知，圓波導半徑a對各種極化狀態阻抗匹配具有顯著影響。這是因為不同的圓波導半徑值a，圓波導內傳播不同的工作模式。在左旋圓極化狀態下，當a值逐漸增大，諧振點往低頻移動。當a=21.2 mm時，天線圓極化、線極化狀態下均獲得良好的阻抗匹配。圖12分析了實心匹配柱高度hm對天線不同極化狀態下阻抗匹配的影響。從仿真結果可以看出hm值越小，諧振點則往高頻偏移，并且hm值太小或者太大都將導致較差的阻抗匹配情況。當hm=7.8 mm時，天線圓極化、線極化狀態下均獲得很好的阻抗匹配。

圖11 a對參數|S11|的影響Fig.11 Effect of parameter a on |S11|

圖12 hm對參數|S11|的影響Fig.12 Effect of parameter hm on |S11|

圖13、14分別給出隔片第二臺階高度g2與扼流環內圈半徑r1對天線在左旋圓極化狀態下方向圖與空間軸比的影響。由圖13可知，隨著g2逐漸增加，方向圖頂部凹陷程度將逐漸減小，等通量效果變弱，波束定向性變強，并且g2太大或者太小，空間軸比都會出現惡化，當g2=10 mm時，空間軸比存在最佳的3 dB覆蓋范圍。分析圖14可知，隨著參數r1減小，方向圖頂部將逐漸向下凹陷，方向圖等通量效果更加明顯，但空間軸比則出現惡化，隨著r1增加，空間軸比覆蓋范圍變寬，但方向圖定向性提高，等通量效果變弱。綜合分析方向圖的形狀與3 dB空間軸比的覆蓋范圍，最終r1取33.7 mm。

圖13 g2對圓極化性能的影響Fig.13 Effect of parameter g2 on circular polarization

圖14 r1對圓極化性能的影響Fig.14 Effect of parameter r1 on circular polarization

3 天線仿真與測試結果

本文所提出的天線可以實現兩種圓極化與兩種線極化的可重構。為了驗證仿真結果的準確性，對天線進行加工并實測。天線實物圖如圖15所示。

圖15 天線實物圖Fig.15 Prototype of fabricated antenna

圖16是天線不同極化狀態下仿真與實測|S11|參數的對比圖。從圖中可以看出，不同極化狀態下-15 dB實測重疊阻抗帶寬為14.7%，覆蓋4.80～5.56 GHz頻段。天線工作于左旋圓極化狀態或+45°線極化狀態時實測阻抗帶寬與仿真結果相比向低頻偏移，而天線工作于右旋圓極化狀態或-45°線極化狀態時實測阻抗帶寬相比于仿真結果向高頻偏移，這是由于圓波導與饋電電路實際加工精度、饋電電路焊接以及測試過程中產生的人為誤差，導致頻偏。不過由于重疊頻帶夠寬，依然能覆蓋該天線的目標工作頻段。

圖16 |S11|的仿真與實測結果Fig.16 Simulation and measurement results of |S11|

圖17-圖20分別給出了4種極化模式的輻射性能。圖17、圖18給出在5 GHz時兩種圓極化模式φ為0°，90°時主極化、交叉極化以及空間軸比仿真與實測結果的對比分析。從圖中可以看出，方向圖仿真峰值增益6.8 dBi，軸向增益6.2 dBi；實測峰值增益6.1 dBi，軸向增益5.4 dBi，實測的方向圖波束比仿真窄，但依然能實現θ角為-24°～+24°范圍內頂部平坦效果；仿真的空間軸比的綜合覆蓋范圍為-52°～+52°，實測的空間軸比的綜合覆蓋范圍為-51°～+50°。由圖17、圖18可知，實測空間軸比與仿真結果大致吻合，但由于開關的損耗、電路焊接、天線加工誤差等因素，導致實測增益比仿真低，且方向圖波束偏窄。

圖17 左旋圓極化仿真與實測的輻射性能（頻率=5 GHz）Fig.17 Simulation and measured radiation performance of LHCP at 5 GHz

圖18 右旋圓極化仿真與實測的輻射性能（頻率=5 GHz）Fig.18 Simulation and measured radiation performance of RHCP at 5 GHz

圖19、圖20給出在5 GHz時兩種線極化模式φ為-45°，0°，+45°，90°時實測與仿真方向圖的分析比較。由圖可知，方向圖實測與仿真整體上基本吻合，實現θ角為-24°～+24°范圍內的頂部平坦效果，實測最大增益6.3 dBi，軸向增益5.4 dBi；仿真最大增益7.1 dBi，軸向增益6.3 dBi，與圓極化模式相比，線極化模式實測增益下降幅度更大，主要是由于饋電電路需要使用更多的開關，天線加工、SMA接頭內芯與匹配柱焊接誤差等人為因素造成的。

圖19 -45°線極化仿真與實測的方向圖（頻率=5 GHz）Fig.19 Simulation and measured radiation pattern of -45°LP at 5 GHz

圖20 +45°線極化仿真與實測的方向圖（頻率=5 GHz）Fig.20 Simulation and measured radiation pattern of +45°LP at 5 GHz

4 結論

本文提出了一種等通量波束多極化可重構天線，該天線包括可重構饋電網絡與帶扼流環的隔片極化器圓波導。通過切換饋電網絡中SP4T開關與SP2T開關的工作狀態，饋電網絡具有不同的輸出條件，在圓波導內隔片的作用下，天線實現4種極化狀態的可重構，包括左旋/右旋圓極化與-45°/+45°線極化。圓波導口外引入扼流環以及“T”型槽結構能夠實現波束賦形，保證天線在不同極化狀態下輻射等通量波束，并且線極化狀態下φ為-45°，0°，+45°，90°時方向圖頂部區域基本重合。實測結果與仿真結果基本吻合，天線4種極化模式-15 dB重疊阻抗帶寬為14.7%，覆蓋4.80～5.56 GHz，方向圖頂部在θ為-24°～+24°時具有平坦效果；圓極化狀態下，空間軸比覆蓋-51°～+50°，覆蓋范圍大于方向圖頂部平坦范圍。該天線使用開關數少，并具備多種極化工作模式，能讓衛星天線更好地適應復雜的工作環境，保證通信質量。