基于有源频率选择表面的波束扫描天线设计

乔惠民，陈星

（四川大学，四川成都，610000）

0 前言

室内终端天线往往选择全向特性以保证通信信号能覆盖到房间里的每一个角落。然而，当人们的活动区域固定或多人聚集在某一区域时，继续采用全向天线便会出现信号能量浪费和容量不足等问题。针对这一问题，研究人员希望采用灵活的波束扫描天线来实时地根据用户需要对室内信号重新分配，从而提高通信质量。此外，波束扫描天线的其他显著特性，如提高传输距离、减少多径效应和提高通信容量，使其在军事、卫星网络和基站的点对多点通信系统中有着无限的应用潜力。因此，波束扫描天线具有重要的研究价值。

波束扫描天线的实现方式有很多，例如传统的相控阵天线便是利用移相器对每一阵元的相位进行控制，从而实现整个天线合成波束的切换与扫描。然而，移相器价格往往比较昂贵，因此整个天线系统的成本会大幅增加。此外，由于阵元间的耦合影响，当扫描角度增大到60°后天线波束的增益便会出现大幅降低，这些都限制其在对信号需要大范围覆盖方面的应用。另一种方法便是使用Butler矩阵，但是它与天线阵列的集成非常复杂，并且会占用着非常大的空间。有源频率选择表面因其制造简单、低成本和快速响应等特点被广泛用来实现大角度甚至整个平面的波束扫描天线。文献[7]中使用由PIN二极管控制有源频率选择表面和偶极子实现了在整个方位平面的波束扫描，在2.45GHz时的增益达到10dBi；为进一步提高天线增益，文献[8]使用电磁耦合同轴偶极子阵列代替典型的偶极子，在2.1GHz处实现13dBi的高增益，但是相对带宽只有6%；文献[9]将相位补偿方法应用于分析和设计加载变容二极管的频率选择表面，该天线实现了水平面全覆盖并在2.45GHz处获得了13.3dBi的高增益，同时满足20°的扫描精度。现有基于有源频率选择表面波束扫描天线为追求高增益特性，一般会采用偶极子或阵列作为辐射天线，但是这样会导致整个天线的剖面很高，并进一步引起频率选择表面单元数量的增加，进而使得大量的有源元件被使用，最终导致天线成本、复杂度和不确定性大大增加。因此，如何减少所使用的有源元件数量便显得十分重要。

本文提出了一种新的基于频率选择表面的波束扫描天线方案。该方案采取单极子作为内部的全向辐射天线，以减少整个天线的剖面高度，从而减少所需有源频率选择表面的数量。另外，对典型的频率选择表面单元结构进行优化，以实现其工作特性只需一个PIN二极管便可完成控制，进一步减少有源元件的数量。最后，为验证设计方案的正确性，对工作在2.45GHz的波束扫描天线系统进行加工并完成测试。

1 天线设计、工作原理和参数分析

■1.1 有源频率选择表面单元设计

图1是所设计的混合型有源频率选择表面单元。该单元由两个半矩形金属环和一个不连续的金属线组成，无需偏置电路。整个单元刻蚀在F4B-2基板的一侧，相对介电常数

ε

=2.65，厚度h=2mm。在金属线的不连续处插入PIN二极管，这里选取Infineon公司的BAR64-02V型号的二极管来重构频率选择表面的电磁特性。根据BAR64-02V的数据手册，该二极管在导通状态下时等效为1.5Ω电阻与0.6nH电感的串联电路；在断开状态时等效为3kΩ的电阻与0.17pF电容的并联电路，如图1(c)所示。为了使频率选择表面在2.45GHz处获得高质量的透射和反射特性，使用全波仿真软件对图1(a)中标记的各个参数进行优化，获得的最佳单元尺寸分别为1=w=25mm，w=20mm，w=18mm，d=8mm，t=1mm和d=0.6mm。

图1 频率选择表面单元

利用电磁仿真软件HFSS场路联合仿真的方法对单元进行仿真，采用unitcell边界条件模拟无限大边界阵列，Floquet端口提供电磁波垂直入射，电场方向与PIN二极管方向平行。图2给出了所设计的混合型有源频率选择表面单元的传输特性。可以看出，在PIN二极管关断时，该单元在2.45GHz处的透射系数T= -24dB，可认为表现为阻带特性，即和金属板一样对所入射电磁波不能通过该频率选择表面；当PIN二极管导通时，该单元在2.45GHz处的透射系数T=0dB，可认为表现为通带特性，即和空气一样即入射电磁波可无损的通过该频率选择表面。因此，所设计的混合型频率选择表面能够通过改变PIN二极管的工作状态，实现在2.45GHz处带通/带阻工作状态的切换。

图2 频率选择表面的透射系数

■1.2 天线结构及工作原理

基于有源频率选择表面的波束扫描天线的几何结构如图3所示，由一个简单的单极子天线和10列有源频率选择表面组成。单极子天线采用直径为2mm的金属柱与底部覆铜的FR4介质板构成，用来充当内部源天线以产生全向辐射波。由于天线最终要完成整个水平面的扫描，因此将10列有源频率选择表面构成一个圆柱均匀的分布在单极子天线周围，其中每列频率选择表面是由A部分所设计的4个单元构成。

图3 基于有源频率选择表面的波束扫描天线

该天线的工作机理如下：圆柱型有源频率选择表面被分成相等的两个部分，其中一部分中的所有二极管均导通，将透射单极子所辐射的电磁波；而另一部分中的所有二极管均关断，将反射单子所辐射的电磁波。因此，单极子辐射的全向波束经过外围的频率选择表面后就成了定向波束。再通过切换每列频率选择表面上二极管的工作状态，该定向波束可以在整个方位面上实现360°扫描特性，从而保证整个水平面的信号覆盖。

■1.3 天线参数分析

根据天线辐射原理，天线的辐射增益与天线口径面积有关，而该天线的高度H已经固定，因此整个天线的等效孔径大小由圆柱半径R和表现为透射状态下的频率选择表面列数N决定。图4(a)给出了圆柱半径R对该波束扫描天线的影响。可以看出，当圆柱半径R=43mm时，天线获得最大的增益。同样，在图4(b)中注意到当5列频率选择表面的二极被导通时，天线获取到最大的增益。另外，波束扫描天线的其他参数也被优化以获得最佳的辐射性能和阻抗特性，最终的参数尺寸分别为H=120mm，R=43mm，H=28mm，和R=25mm。

图4 关键结构参数对天线增益的影响

2 天线仿真结果与测试对比

为验证波束扫描天线的可行性，制作了天线实物并进行了测试，如图5所示。 这里使用尼龙柱来单极子固定在圆柱型频率选择表面的中心。在每列频率选择表面的顶部与底部使用两条偏置线来为二极管供电，并使用两个18nH的电感将频率选择表面与偏置电源隔离开。天线反射系数由安捷伦的N5230A矢量网络分析仪测量，辐射方向图在微波暗室中测量获得。

图5 天线实物图

考虑到天线的几何对称性，仅提供在

φ

=0°时的天线反射系数测量结果，如图6所示。结果表明，仿真结果与实测结果有着很好的吻合度。仿真和实测的天线工作带宽分别为 14.2% (2.23～2.58GHz)和 13.4% (2.25～2.58GHz)，这部分的差异是由测量误差引起的。图7给出了该天线的辐射特性。该天线产生了具有低后瓣特性的定向波束，前后比为15dB，其在E面和H面的波束宽度分别为64°和73°。另外从图6还可以看出，该天线在其整个工作频率的增益都大于6dBi，在2.45GHz处的仿真和实测增益分别为8.2dBi和7.95dBi，减少的部分主要是因为二极管和介质板的损耗。图8给出了天线在H平面不同指向的辐射方向图，可以看出该天线能完成整个水平面的扫描，并且扫描精度可以达到36°。需要指出的是，该波束扫描天线还可以通过调整每列频率选择表面工作状态来产生多个波束。

图6 波束扫描天线的反射系数和增益(φ=0°)

图7 归一化方向图

图8 天线在H面的扫描方向图

3 结论

本文提出了一种新型的基于有源频率选择表面的波束扫描天线，该天线采用单极子天线以降低整个天线剖面高度，设计仅由一个PIN二极管控制的频率选择表面单元，减少了天线所用的有源元件数量。通过改变所集成二极管的工作状态，频率选择表面可以在透射与反射之间切换，进而让由放置在圆柱型频率选择表面中间的单极子天线的辐射方向图由全向转变为定向，并不断切换二极管的工作状态使得波束在整个水平面完成扫描需求。实测结果表明，所设计的波束扫描天线的工作频率为2.45GHz，主波束可以实现在整个水平面的扫描，扫描精度为36°，并且天线在整个工作频段内的增益都大于6dBi，峰值增益是7.95dBi。该波束扫描天线可用于智能通信系统中。