惠更斯源电小天线研究

石婷 唐明春 武震天 周博雅 李梅

(重庆大学通信工程学院,重庆 400044)

引 言

随着现代移动通信的飞速发展,人们对天线的小型化、高性能、保密性和抗干扰能力提出了更高的要求. 要求天线在具有小型化结构的同时,还要具有良好的定向辐射特性. 常用的定向天线,如八木和准八木天线[1-2],因其工作原理限制而具有较高的剖面,而且尺寸较大. 又比如基于电磁偶极子设计的定向天线[3],同样因其特定的工作方式而具有较大的电尺寸,而且该类天线需要地板. 在某些特定的应用环境中,比如紧促空间和便携设备中,就更需要天线在具有高定向性的同时还具有小型化、轻质量、低剖面等优点.

惠更斯源天线以其与生俱来的高方向性而备受关注. 目前已有的惠更斯源电小天线(electrically small antenna, ESA)的文献中,大部分是利用双馈源结构独立激励电谐振器和磁谐振器设计而成[4]. 文献[5]利用近场寄生耦合原理设计了平面型惠更斯源 ESA,然而,因其复杂的设计结构而难以得到工程实现. 文献[6]完成了3D立体结构的惠更斯源 ESA的实验验证. 基于此,本文介绍了一系列电小尺寸级别(ka<1)的惠更斯源天线设计. 该系列天线具有小型化、轻质量、高方向性、宽波束、低剖面等优点[7-10]. 具体的,利用多层印刷电路板(printed circuit board, PCB)技术实现线极化和圆极化的平面惠更斯源 ESA设计,实现了惠更斯源 ESA从立体结构到平面结构的设计过渡[7];提出了惠更斯源 ESA的双线极化设计方案[8];利用开关二极管实现了惠更斯源 ESA的端射特性,并且能实现水平360°波束扫描覆盖[9];针对无源 ESA均存在的带宽设计上限,利用non-Foster有源技术实现了惠更斯源 ESA的阻抗带宽近十倍扩展[10]. 本文将简要介绍这一系列天线的设计思路和工作原理.

1 基本原理简介

理想情况下,惠更斯源天线的电谐振器和磁谐振器的激励幅度和相位必须相等. 考虑到实际的设计因素,无法实现理想情况下的完全重合,所以,应当尽可能地使电谐振器和磁谐振器的激励幅度和相位彼此接近,以提高惠更斯源天线的辐射性能. 文中所有谐振器均为偶极子工作模式,并且采用近场寄生耦合的激励方式设计. 图1[3, 6]为理想情况下,惠更斯源天线的方向图形成原理. 电偶极子和磁偶极子垂直放置,惠更斯源天线的辐射主方向垂直于电偶极子和磁偶极子的零陷方向,并符合右手螺旋定则. 理想的惠更斯源天线主瓣的半功率波束宽度能达到约136°,无后瓣,具有十分优异的定向性.

图1 惠更斯源天线的合成示意图Fig.1 Orthogonal design concepts of a Huygens source antenna

2 28 GHz平面多层惠更斯源 ESA

作为新兴热点,5G通信及其相关器件的研究设计正如火如荼地展开. 28 GHz是目前5G通信的主要候选频段之一. 一方面,目前已报道的 ESA工作频段主要集中在UHF(300 MHz～3 GHz)频段[4-6,8-10],在SHF(3 GHz～30 GHz)频段的 ESA及其工作特性的研究报道较少;另一方面,未来5G通信对平面易集成器件的高度需求. 基于此,文中介绍了两款工作在28 GHz的平面多层惠更斯源 ESA[7],一款为线极化天线,另一款为圆极化天线. 两款天线均利用HFSS建模优化完成,再利用CST进行仿真验证.

如图2所示,线极化惠更斯源 ESA采用近场寄生耦合谐振的工作方式. 磁偶极子利用两层基板共同实现,电偶极子位于第二层基板的上表面. 其仿真和测试的|S11|以及实际增益和前后比(front-to-back ratio, FTBR)曲线如图3所示. 对于仿真结果而言,该天线ka=0.96,10 dB阻抗带宽为2.15%,通带内实际增益变化范围为3.06～3.936 dBi,前后比范围为7.1～33.92 dB,辐射效率均超过81%. 天线的仿真和测试归一化方向图如图4所示,其仿真和测试方向图的波瓣宽度存在不一致,主要原因包括两方面:1)暗室测试中,测试线上的不平衡表面电流会对无地板结构的偶极子天线方向图产生不良影响,通常需要在天线后端加载巴伦来抵消测试同轴线对天线的影响[6, 8-9],但是该28 GHz天线截面尺寸很小(2 mm×2.4 mm),不易制作相应的巴伦结构. 因而,受测试同轴线上的不平衡表面电流影响,一方面天线的E面方向图发生倾斜,另一方面天线的方向图呈波纹状不均匀且半功率波束宽度一定程度上变窄;2)天线安装过程中,电偶极子相对于磁偶极子的上下高度对二者的激励强度和相位中心都具有较大的影响,而安装过程中采用的粘合剂等会对二者的相对位置以及天线的整体高度产生影响,从而影响天线的整体性能.

图2 线极化惠更斯源 ESA结构示意图Fig.2 Structure schematic of linear-polarized Huygens source ESA

(a) |S11|随频率的变化曲线(a) |S11| values versus frequency

(b) 实际增益和前后比随频率的变化曲线(b) Peak realized gain and FTBR values versus frequency图3 线极化惠更斯源 ESA性能Fig.3 Performance characteristics of the linear-polarized Huygens source ESA

(a) 27.66 (27.44) GHz

(b) 27.835 (27.9) GHz

(c) 28.26 (28.1) GHz图4 线极化惠更斯源 ESA的仿真(测试)实际增益方向图Fig.4 Simulated (measured) 2D realized gain patterns of the linear-polarized Huygens source ESA

如图5所示,在线极化惠更斯源 ESA的设计基础上,改进电偶极子、磁偶极子以及馈线结构,实现圆极化惠更斯源 ESA的设计. 对于仿真结果而言,该天线ka=0.942,其|S11|、轴比、实际增益和前后比曲线分别如图6所示. 3 dB轴比带宽为0.46%,轴比通带内,最大实际增益为3.06 dBi,前后比均大于20 dB, 辐射效率均高于73%. 在轴比最低点28.105 GHz处的实际增益方向图如图7所示.

图5 圆极化惠更斯源 ESA结构示意图Fig.5 Structure schematic of circular-polarized Huygens source ESA

(a) |S11|和轴比对比图(a) |S11| and axis ratio values versus frequency

(b) 实际增益和前后比对比图(b) Peak realized gain and FTBR values versus frequency图6 圆极化惠更斯源 ESAFig.6 Performance characteristics of the circular-polarized Huygens source ESA

图7 圆极化惠更斯源 ESA在28.105 GHz处的仿真实际增益方向图Fig.7 Simulated realized gain patterns of the circular-polarized Huygens source ESA at 28.105 GHz

3 双线极化惠更斯源 ESA

近年来,在雷达、定位以及通信系统等领域,双极化技术已逐步成为研究热点,双极化天线能够有效提高频谱效率和缓解发射机与接收机之间的极化失配,解决多径衰落问题. 同时,双极化天线也可替代两个不同极化的天线单元,减少天线数量,降低天线成本[11]. 目前,文献中报道了很多高方向性天线的双极化设计方法,如,利用孔径耦合馈电[12],探针馈电[13-15],差分馈电[16],180°反向馈电网络[17]等实现双极化的高隔离设计. 在这些高方向天线设计中,基本都会采用较大的地板,如,文献[12-14]利用较大的反射板进一步提高天线的方向性,文献[14-16]中的电磁偶极子天线需要地板结构来构造四分之一波长的短路贴片天线,文献[17]需要大的介质基板实现匹配网络的设计. 这些天线在具有宽通带、高前后比和高隔离的同时也具有较大的体积和重量. 考虑到某些特定应用需求,如在便携设备中的应用等,本节介绍了一款不需要地板结构的轻质量、低剖面、高方向性的双线极化惠更斯源 ESA.

如图8所示,该天线采用近场寄生耦合谐振的工作方式,馈电结构利用最后两层基板实现,为90°旋转对称的结构. 其仿真和测试的|S11|以及谐振点处的3D方向图如图9所示. 对于测试结果而言,该天线ka=0.904,剖面高度为0.0483λ0,仿真(测试)结果表明,两个端口的谐振点均为1.518 GHz (1.515 GHz),阻抗带宽为9 MHz (7 MHz),通带内的隔离度小于-30.6 dB (-25.8 dB). 如图10所示,当端口1激励时,在谐振频点的实际增益为2.27 dBi (2.03 dBi),前后比为15.7 dB (12.4 dB),效率为61.3%. 当端口2激励时,在谐振频点的实际增益为2.5 dBi (2.15 dBi),前后比为16 dB (12.1 dB),效率为64%. 表1提供了该双极化天线和文中部分参考文献中的双极化天线在带宽、前后比、隔离度和尺寸方面的对比. 由表1可知,完全不采用地板结构并且保持低剖面设计的前提下,该双极化 ESA依然实现了较高的隔离度.

(a) 3D图(a) 3D isometric view

(b) 侧视图(b) Side view图8 双线极化惠更斯源 ESA结构示意图Fig.8 Structure schematic of dual-linear-polarized Huygens source ESA

图9 双线极化惠更斯源 ESA的仿真和测试S参数以及3D方向图Fig.9 Simulated and measured S-parameters together with simulated 3D directivity pattern of the dual-linear-polarized Huygens source ESA

(a) 端口1激励(a) Only port 1 is excited

(b) 端口2激励(b) Only port 2 is excited图10 双线极化惠更斯源 ESA的各端口激励的仿真(1.518 GHz)和测试(1.515 GHz)归一化实际增益方向图Fig.10 Simulated (1.518 GHz) and measured (1.515 GHz)normalized realized gain patterns for each port of the dual-linear-polarized Huygens source ESA at its resonance frequency

文献kaFBW/%前后比/dB隔离度/dB长×宽×高/λ03 [13]7.9957.5025>30.01.1λ0×2.3λ0×0.26λ0 [14]3.5548.0029>30.00.8λ0×0.8λ0×0.26λ0 [15]5.1152.0015>35.01.15λ0×1.15λ0×0.25λ0 [16]5.7868.0015>36.01.3λ0×1.3λ0×0.24λ0 本文图80.900.4612>25.80.29λ0×0.29λ0×0.05λ0

4 方向图可重构惠更斯源 ESA

飞速发展的无线通信促使天线进一步朝着智能化和多功能化发展. 波束可重构天线能实现天线波束的实时可控,可以节约成本和空间,其动态波束切换有利于飞行器跟踪,其定向性又可以抑制非来波方向干扰,因而在民用和军事领域广为应用[18]. 近年来报道了许多类型的可重构天线,如,介电谐振器天线[19]、石墨烯金属环形天线[20]、八木天线[21-23]、微带叠层天线[24]、植入式天线[25]等等. 传统 ESA为弱方向性天线,很难实现波束可重构,因而有关方向图可重构的 ESA报道极少,并且仅有的报道多存在波束覆盖能力有限[26]和工作频点不稳定[27]等问题. 基于此,本文介绍了一款利用高方向性惠更斯源 ESA实现水平360°波束覆盖的方向图可重构 ESA设计.

如图11所示,不同于前三款边射惠更斯源 ESA,本天线的电偶极子和磁偶极子平行且正交放置于水平面上,为水平面端射天线. 该天线的上层为磁偶极子,下层为两个弯曲电偶极子构成的可重构二元阵. 可重构二元阵如图11(c)所示,它由三条相同长度的弯曲电偶极子和其间的三个同向放置的开关二极管(开关管_1,开关管_2,开关管_3)组成. 当其中一个开关二极管闭合时,例如状态A(开关管_1闭合),则下边两条相邻的电偶极子连通,图11(c)等效为上边的一条短的电偶极子和下边一条长的电偶极子组成的二元阵,根据二元阵的原理调整两者之间距离,可以使二元阵最大波束方向指向X轴. 以此类推,当状态B(开关管_2闭合)和状态C(开关管_3闭合)时,二元阵的波束分别指向距X轴120°和240°. 此外,上层磁偶极子在激励源的激励下产生均匀的全向性辐射方向图,一方面激励了下层的可重构二元阵,使之产生可重构的二元阵方向图,同时也参与了整个天线方向图的合成,最终产生了三个方向的波束可重构的方向图.

(a) 3D图(a) 3D isometric view

(b) 侧视图(b) Side view

(c) 可重构电偶极子的俯视图(c) Top view of the reconfigurable electric elements图11 可重构惠更斯源 ESA的结构示意图Fig.11 Structure schematic of pattern-reconfigurable Huygens source ESA

具体的,天线仿真和测试的结果如图12、13所示.以状态A的测试结果为例,天线的谐振频点为1.562 GHz,峰值增益、前后比和辐射效率分别为3.59 dBi、17.94 dB和85.07%,由于结构对称,三种模式下的方向图基本相同,天线ka=0.92,剖面高度为0.05λ0,仿真结果和测试结果高度吻合. 如表2所示,将该可重构天线与文中部分参考文献进行对比可知,本文介绍的可重构 ESA在电小结构下,利用较少的开关数目实现了天线在水平面上的360°波束扫描覆盖. 继无源线极化、圆极化、双线极化惠更斯源 ESA设计实现后,该天线进一步丰富了惠更斯源 ESA的设计思想,提升了惠更斯源 ESA的设计多功能化.

(a) 状态A(a) State A

(b) 状态B(b) State B

(c) 状态C(c) State C图12 可重构惠更斯源 ESA在1.577 GHz处的三个可重构状态下的仿真测试反射系数和仿真3D辐射方向图Fig.12 Measured and simulated values of |S11| together with simulated 3D radiation patterns at 1.577 GHz for the reconfigurable Huygens source ESA in all three diode states

(a) 状态A(a) State A

(b) 状态B(b) State B

(c) 状态C(c) State C图13 可重构惠更斯源 ESA在1.577 GHz处的三个可重构状态下的仿真和测试实际增益方向图Fig.13 Measured and simulated realized gain patterns at 1.577 GHz for the reconfigurable Huygens source ESA in all three diode states

文献kaFBW/%最大增益/dBi开关数目波束覆盖空间 [18]8.3420.004.705360° [19]4.373.647.278360° [20]1.84～2.701.238360° [21]3.79～1.00-4140° [22]4.5140.005.084360° [23]6.913.407.806～180° [24]4.626.209.941290° [25]0.131.20-17.942191° [26]～0.602.708.502～220° 本文图110.922.733.593360°

5 Non-Foster宽带惠更斯源 ESA

根据Chu limit,电小尺寸设计会增加天线的品质因数,从而降低天线的工作带宽,如前3款介绍的无源惠更斯源 ESA设计,其相对带宽均小于3%,鉴于无源 ESA自身无法突破Chu limit的限制,因而,借用有源设计思想,利用non-Foster电路实现 ESA带宽的成倍拓展具有非常重要的科研和工程意义. 基于此,本文介绍了一款基于non-Foster技术的有源宽带惠更斯源 ESA.

第一步,以文献[6]中的无源惠更斯源 ESA为参考,在电偶极子和磁偶极子的中间部位挖槽,嵌入代表电阻和电容的串联集总参数片,设置磁偶极子上的电阻值RM=e-5Ω,CM=1.6 pF,电偶极子上的电阻值RE=e-5Ω,CE=1.5 pF,在这种情况下,将天线优化到最佳工作状态,得到如图14所示的无源参考惠更斯源天线模型,其天线性能如图15所示,中心频率为1.580 GHz,其|S11|min=-42.62 dB,-10 dB相对带宽为0.60%.

图14 无源参考惠更斯源 ESA的结构示意图Fig.14 Structure schematic of passive reference Huygens source ESA

(a) |S11|和3D方向图 (b) 实际增益方向图(a) |S11| values and 3D (b) 2D realized gainrealized gain pattern patterns 图15 无源参考惠更斯源 ESA的方向图Fig.15 Passive reference Huygens source ESA performance characteristics

第二步,在保持RM和RE近乎为零的情况下,每次改变CM的值,都可以适当地改变CE的值,得到性能最佳的天线性能. 通过这种方法,可以得到一一对应的CM和CE的值,即得到如图16所示的天线的频率捷变特性图. 利用Matlab对离散的CM和CE值进行拟合并插值,得到CM和CE在较宽频段内的拟合值,如图17所示. 将上一步中得到的CM和CE随频率变化的拟合值带入HFSS中代替原有的CM和CE的固定值(如CM=1.6 pF,CE=1.5 pF),得到如图18所示的天线性能仿真曲线. 由于此时RM和RE约为零,CM和CE为理想的拟合值,所以,得到的是理想NIC电路加载的惠更斯源 ESA. 即通过加载理想NIC电路,该天线的-10 dB相对带宽由无源天线的0.6%增加到10.04%,有了16.7倍左右的提升,实际增益在2.41～4 dBi变化,FTBR变化区间为4.61～26.95 dB.

图16 Non-Foster宽带惠更斯源 ESA的频率捷变特性Fig.16 Frequency-agile characteristics of the non-Foster wideband Huygens source ESA

(a) CE (b) CM图17 CM和CE的拟合值与离散扫参值的对比Fig.17 Comparison between the discrete capacitance values and their curve-fit lines

(a) |S11|和FTBR随频率的 (b) 峰值增益和辐射效率 变化曲线 随频率的变化曲线(a) |S11| and FTBR values (b) Peak realized gain and versus frequency radiation efficiency values versus frequency图18 理想non-Foster惠更斯源 ESA (黄色高亮部分为-10 dB阻抗带宽区域)Fig.18 Performance characteristics of the ideal non-Foster Huygens source ESA (The -10 dB impedance bandwidth range is highlighted in yellow)

第三步,在ADS中构建NIC电路,使其输入阻抗的实部尽可能小且非负,其容抗部分尽可能贴近图17所示的CM和CE的拟合曲线. 为了使电路更简洁,电偶极子和磁偶极子上加载的电路均采用如图19所示的同样NIC电路结构. 基于具体的电路参数值,可以实现如图20所示的NIC电路的输入阻抗性能设计. 将电偶极子和磁偶极子所需的NIC电路的输入阻抗的实部和容抗部分再次代入对应的天线的RE,CE和RM,CM中,如图21所示,最终得到non-Foster惠更斯源天线的-10 dB相对带宽由无源参考天线的0.6%增加到6.02%,获得了10倍左右的提升,实际增益变化区间为0.04～3.74 dB,FTBR变化区间为5.63～28.01 dB. 在-10 dB阻抗通带内的实际增益方向图如图22所示,可见,在整个通带内,加载实际的NIC电路后,天线在实现了阻抗带宽的10倍拓展的前提下,依然维持了良好的惠更斯源天线特性.

图19 NIC电路模型Fig.19 Circuit model of the NIC element

(a) 电偶极子上嵌入的 (b) 磁偶极子上嵌入的NIC电路 NIC电路(a) Electric dipole (b) magnetic dipole图20 NIC电路和理想NIC电路的等效电容和电阻值对比Fig.20 Comparison between the capacitance and resistance values produced by the NIC circuits and their requisite frequency agile values

(a) |S11|和FTBR随频率的 (b) 峰值增益和辐射效率 变化曲线 随频率的变化曲线(a) |S11| and FTBR values (b) Peak realized gain and versus frequency radiation efficiency values versus frequency图21 Non-Foster惠更斯源 ESA (黄色高亮部分为-10 dB阻抗带宽区域)Fig.21 Performance characteristics of the non-Foster Huygens source ESA (The -10 dB impedance bandwidth range is highlighted in yellow)

(a) 1.536 GHz (b) 1.58 GHz (c) 1.631 GHz图22 Non-Foster惠更斯源天线的方向图Fig.22 The 3D realized gain patterns of the non-Foster Huygens source ESA at the frequencies

6 结 论

惠更斯源天线因其独特的设计方式,具有宽波束和高方向性的优势. 本文针对惠更斯源天线在电小尺寸下存在的匹配难、实现难、技术空白多的研究现状,开展了一系列惠更斯源 ESA的研究和设计. 首先介绍了两款工作在SHF频段的惠更斯源 ESA,利用多层PCB技术实现了28 GHz的平面多层线极化和圆极化设计. 接着,介绍了三款工作在UHF频段的惠更斯源 ESA,一款利用简单可靠的正交馈电实现了双线极化;一款利用方向图可重构技术实现了端射电小惠更斯源天线的水平面360°空间波束扫描覆盖;一款借助non-Foster技术使得阻抗带宽获得十倍扩展. 这一系列惠更斯源 ESA采用多种创新设计理念,为实现惠更斯源 ESA的多样性和高性能设计提供了一些参考方案,具有较好的科研和工程价值.