一种低剖面可重构全向圆极化天线的设计

黄 杰, 孙虎成

(南京信息工程大学应用电磁学研究中心， 江苏南京 210044)

0 引言

在现代无线通信系统中，极化可重构天线已经引起了大量的关注，形成了广泛的应用。在工作频带受限的情况下，通信天线极化的多样性可以大大提升无线通信系统的性能。极化可重构天线在增强系统通信能力同时可降低多径干扰。另外一方面，水平面上辐射范围达360°的全向天线因其较大的覆盖范围优势，也被广泛应用在各类无线移动通信系统、雷达系统、传感器网络等技术领域。

近几年，顺应现代无线通信技术的迅速发展，人们提出了多种可重构全向圆极化天线。如文献[15]报道了一个具有6个偶极子的可重构圆极化全向天线，通过控制偶极子天线单元上的48个PIN二极管实现圆极化状态的切换。文献[16]提出了一个具有9根短路柱的可重构全向圆极化天线，通过调控PIN二极管状态改变天线单元的电流路径从而实现圆极化方式的切换。文献[17]提出的设计是通过馈电网络控制1×4交叉偶极子天线实现状态的切换。文献[18]提出了一个包含有环形偶极子和锥形天线的可重构圆极化天线，利用馈电网络的设计拓宽了天线的轴比带宽，通过调节馈电网络中的12个PIN二极管可以实现水平、垂直和左右旋圆极化四种辐射状态。上述研究工作主要采用两种方式调控天线的极化，即在天线单元或馈电路径上添加PIN二极管。在天线单元数目较多和馈电网络较复杂时，需要采用较多数量的PIN二极管才能实现极化的可重构。而使用过多PIN二极管会增加设计复杂程度，同时也给天线带来更多的损耗，降低天线性能。

本文提出了一种低剖面可重构全向圆极化天线。天线的主体结构设计在一个双层圆形基板上，通过PIN二极管控制馈电网络中的紧凑二阶3 dB耦合器来切换天线左右旋圆极化状态。本文将对天线的结构、仿真设计和测试作详细的介绍，并对仿真与测试结果进行对比分析。

1 可重构全向圆极化天线设计

1.1 天线结构

图1展示了设计的可重构全向圆极化天线结构。设计天线的横截面积为59.9×59.9×π mm，上下层基板分别是FR4 (= 4.4，= 6.4 mm)和Rogers-4350 (= 3.66，=30 mil)。天线由垂直极化的偶极子阵列和水平极化的单极子天线组成。垂直极化的单极子天线处于设计天线的上层和中层。单极子天线的馈电点位于上层橙色圆形的中心。添加16根短路柱的单极子天线能以较低的物理尺寸在预设频段内工作。1×4弧形偶极子阵列辐射全向的水平极化波。偶极子天线的巴伦结构与馈电网络相连处于天线下层。辐射水平极化波的偶极子臂在天线的中层。因偶极子天线对单极子天线全向辐射性能有一定的影响，经过仿真优化将偶极子辐射臂的部分枝节经通孔延伸至天线的上层。天线是用Ansoft HFSS进行仿真设计，优化后的结构参数如表1所示。

图1 可重构全向圆极化天线结构

表1 可重构全向圆极化天线的结构参数

续表

1.2 馈电网络设计

图2是天线馈电网络的原理框图。设计的馈电网络主要包含一个紧凑二阶3 dB耦合器和一单刀双掷开关电路。天线通过馈电网络以不同的相位差同时激励偶极子阵列和单极子天线从而辐射出左右旋圆极化波。

图2 馈电网络框图

图3是馈电网络中3 dB耦合器的等效电路图，为一个二阶的3 dB耦合器。相比于传统的3 dB耦合器，本设计通过微带线优化布局有效地实现了二阶3 dB耦合器尺寸小型化，并且在一个较宽的频段内，该耦合器可以同时实现能量均分和稳定相移。耦合器的输出端口、分别与偶极子阵列天线和单极子天线相连。图4给出了单刀双掷开关电路的原理图，其中PIN二极管承担着开关的作用，可通过改变二极管的通断状态选择耦合器的信号输入端口。二极管、与3 dB耦合器输入端口相连，二极管、控制着端口。当二极管、导通时，端口、均短路接地，馈电网络处于非工作状态。当二极管、断开，导通时，信号从端口输入；当二极管、断开，导通时，信号从端口输入。可以看出当通过调控二极管打开二阶耦合器、其中一个端口，对应的直通端口与耦合端口可获得幅值相等、相位差为±90°的射频能量。根据这一特性可以用来调整垂直与水平极化波之间的相位差，从而产生左右旋圆极化。

图3 3 dB耦合器的等效电路图

图4 单刀双掷开关原理图

图5给出了可调馈电网络的仿真结果。该可调网络的回波损耗在2.0～3.6 GHz频段内保持在-10 dB以下。在频段2.4～3.0 GHz可调馈电网络可实现端口与在等幅能量输出的情况下，保持两端口间(±90°±5°)相位差的切换。仿真结果验证了网络设计的合理性。

图5 可调馈电网络的仿真结果

2 重构机理

水平极化的偶极子阵列天线和垂直极化的单极子天线在水平面上的远场分量可写为与。与之间的相位差可由连接单极子和偶极子阵列的馈电网络控制。在远场上天线辐射的总场可表示为

(1)

式中为与之间的相位差。当=π2时，天线的总场为左旋圆极化；当=-π2时，天线辐射右旋圆极化波。通过控制馈电网络中PIN二极管改变天线的辐射模式，馈电网络中各状态下的偏置电压如表2所示。

表2 左右旋圆极化下的偏置电压

2.1 左旋圆极化

天线通过馈电网络同时激励单极子天线和偶极子阵列辐射水平极化波和垂直极化波产生左旋圆极化。如图6当偏置电路中端输入为6 V、端输入为+3 V、端置零时，二极管、导通，、截止。此时，端口处于工作状态，端口接地。直通端口与耦合端口获得的能量幅值相等，相位上超前90°，即=π2。因此在远场上天线辐射的总场可表示为

图6 左旋圆极化网络馈电路径示意图

(2)

天线辐射全向左旋圆极化波。

2.2 右旋圆极化

如图7当偏置电路为0 V，依然是+3 V，置+6时，端口工作，接地。二极管、导通，、截止。相比于左旋圆极化状态，右旋圆极化状态下的工作端口为端口。输出能量相等的情况下，相位上滞后90°，即=-π2。此时天线处于右旋圆极化工作状态，远场上天线辐射的总场可表示为

(3)

图7 右旋圆极化网络馈电路径示意图

3 实验与结果

为了验证低剖面可重构全向圆极化的天线设计，加工、装配并测试了天线实物。由于该天线包含较多的层板、通孔和集总元件，在装配时需要将两层基板贴合并校准各通孔的位置，从而引入一定的加工误差。如基板贴合间的缝隙、加工的通孔补偿和集总元件属性误差等。并且与仿真中采用的集总端口相比，实际天线加工测试中使用SMA连接头对天线进行信号输入的。SMA的探针与天线地板相连于中层；金属外层与馈电网络焊接在天线下层以保持测试时的SMA头的稳定连接。图8是天线的实物图片，测试结果与仿真结果基本吻合，实物天线可重构极化方式并辐射全向圆极化波。

图8 天线实物照片

图9是天线仿真与实测的||结果。天线在左右旋圆极化状态下的阻抗带宽(|| < -10 dB)分别为215% (224～278 GHz)和194% (232～281 GHz)。如图10所示，天线在左右旋圆极化状态下轴比带宽(<3 dB)分别为7%(244～262 GHz)和10%(238～263 GHz)，两种状态的重叠轴比带宽约为7%。图11给出了245 GHz下天线各状态的辐射方向图。天线的最大圆极化增益为-09 dB。水平面上左右旋全向辐射的增益波动约为13 dB。在0°～360°的范围内天线均可以实现状态切换和左右旋圆极化的辐射效果。馈电网络的功率分配和相位切换功能在仿真与实测中均得到了验证。

图9 可重构全向圆极化天线的S11测试与仿真结果

图10 可重构全向圆极化天线左右旋圆极化的轴比

(a) 左旋圆极化

实测中，单极子天线和偶极子天线阵列与耦合器间阻抗匹配较仿真有偏差，主要由基板间的缝隙和集总元件真实值与仿真设定值之间存在差异等原因导致。阻抗匹配影响馈电网络功率分配功能和相移的效果，因而天线在测试实验中与仿真存在差异。除此之外，部分馈电网络同时与SMA连接头金属外层和PIN二极管、相连。在实验测试转动天线时，连接头受力会造成相接的馈电网络部分与基板和PIN二极管连接处存在松动。连接处松动产生的空隙会导致PIN二极管接触不良并影响阻抗匹配，同时也削弱了馈电网络的功能，降低了天线的性能。同时因为接头焊接处为高集成区域，SMA连接头的加入给焊接带来难度。测试中连接头因为焊接的原因一定程度上影响了天线的匹配状态，同时连接头自身的辐射作用也不可忽略，从而导致全向天线的性能也与仿真发生了偏差。虽然结果存在偏差，但天线整体仍能辐射全向圆极化波并且可以在左右旋圆极化间灵活地切换。

4 结束语

本文设计了一个低剖面全向圆极化天线，通过馈电网络实现了该天线的工作状态可重构。馈电网络调控偶极子阵列和单极子天线在远场上辐射的水平与垂直极化波间的相位差，从而产生了可切换的左右旋圆极化波。测试结果表明，天线左右旋圆极化的重叠带宽(||<-10 dB)约为159% (237～278 GHz)。重叠轴比带宽(<3 dB)约为7% (244～262 GHz)。在水平面上天线各状态下全向辐射的增益波动均小于13 dB。本设计天线有全向圆极化可切换和低剖面特性，适用于空间无线通信系统。