一种方向图可重构圆极化阵列天线的设计

陈梦玉,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)

当前,为了满足现代无线通信系统个性化网络的需求,电磁特性可调的天线技术正在飞速发展。其中方向图可重构天线可根据不同工作场景的需求来重构辐射方向图的模式。在工作频率和极化方式固定不变的前提下[1],方向图可重构天线具有辐射方向、增益或者波束宽度可变的特性。利用天线的波束控制灵活、波束方向可重构等特点可以有效减少入射波的电子干扰,在提高信息接收能力的同时提升通信的安全性。目前可重构天线被广泛应用于卫星通信、现代移动通信和雷达探测等领域[2]。

近些年,随着天线可重构技术迅速发展,研究人员利用机械调整或电调等外部控制方式[3-5]设计了多种方向图可重构天线。如Yasir 等[6]介绍了一种可重构平面圆盘天线,通过控制天线中圆环缝隙间两个PIN 二极管的状态切换主辐射波束指向+30°,-30°和0°三种不同方向。Gu 等[7]提出了一种辐射方向图和极化方式均可切换的智能天线,通过PIN 二极管控制辐射贴片四周的寄生元件来实现天线工作模式的改变。Sun 等[8]提出了一种能够自由切换全向/定向辐射模式的可穿戴天线。天线集成了定向辐射结构和全向辐射结构,通过调节辐射贴片环槽中的六个PIN 二极管来配置辐射模式。Patriotis 等[9]设计了一个应用于物联网,工作在X 波段的方向图可重构天线系统。天线单元排列成四元件扇形阵列,并由基于PIN 二极管的电控馈电网络独立激励。通过物联网控制馈电网络的输出激励,天线可呈现十六种辐射方向图。上述文献工作均在不更改天线物理结构的情况下采用基于高隔离度、低损耗射频开关的电调法,来调控天线辐射方向。然而复杂的馈电网络会增加多种工作模式可重构天线的设计难度,例如Butler 矩阵。

为了实现较高设计自由度和易于调控的新型可重构馈电网络,本文提出了一种基于相位转换器的方向图可重构圆极化阵列天线。通过PIN 二极管控制馈电网络中的相位转换器来实现阵列天线方向图工作模式的切换。利用金属微带天线单元贴片的对角切割处理,以及采用L 型探针耦合馈电的双馈电点法,实现方向图可重构天线圆极化性能,减少微波信号受到的多路径干扰。对天线阻抗带宽、轴比带宽和方向图等性能进行了仿真分析和实际测试,结果验证了设计的方向图可重构天线具有较好的性能,可有效地应用于现代无线通信系统。

1 方向图可重构天线设计

1.1 天线结构

图1 是本文设计的方向图可重构阵列天线结构图。如图1(a)和(b)所示,天线的上、中两层基板均为FR4(εr=4.4,h1=1 mm);下层基板为Rogers 4350 (εr=3.66,h3=508 μm)。天线结构由上述的上、中两层基板组成,同时馈电网络印制在下层基板上。上层的天线单元部分通过切角处理来提升圆极化性能[10]。将相邻天线单元间中心旋转90°后等间距放置组成了1×4 阵列。单元旋转放置可有效地优化整个阵列天线的圆极化波输出效果[11]。为改善天线的阻抗特性,并提高阻抗带宽,馈电网络采用L 型探针耦合馈电方式如图1(c)。选用四对直径为1 mm 的圆柱探针,分别连接馈电网络各输出端口贯穿中、下两层基板,并延伸至中层和上层之间的空气部分,且在最上方弯折成L 型。通过设计的巴伦,使每对探针中的两路信号产生了90°的相位差。再将每对探针中的L 型结构正交放置,以在每个天线单元上激励起两个正交线极化模[12],从而辐射出圆极化波。整个阵列天线的详细结构参数如表1 所示。

图1 方向图可重构阵列天线结构图。(a)俯视图;(b)侧视图;(c)馈电网络Fig.1 Structural diagram of reconfigurable array antenna with directional pattern.(a) Top view;(b) Side view;(c) Feeding network

表1 阵列天线的详细结构参数Tab.1 Detailed structural parameters of the array antenna

1.2 可重构馈电网络设计

可重构馈电网络的原理图如图2 所示,其主要由三个±90°相位转换器和两个±45°相位转换器组成。通过外部偏置电压控制相位转换器内部PIN 二极管的导通/截止状态来调节相位输出,可实现馈电网络各端口输出信号的幅度不变,但相位差在±45°和±135°四种工作模式间切换。将设计的可重构馈电网络连接图1中的四个天线单元,最终可实现阵列天线主辐射波束指向在四种不同的角度上偏转。

图2 馈电网络原理框图Fig.2 The schematic diagram of the feeding network

2 馈电网络重构机理

2.1 相位转换器

基于阵列天线方向图可切换的需求,本文提出了一种电控的相位转换器。图3 是相位转换器的结构示意图,由两段并联的微带传输线和PIN 二极管S1～S4组成。PIN 二极管具有单向导通性和尺寸小、易集成的特点,适合在相位转换器中承担开关的作用。通过改变PIN 二极管导通/截止的工作状态,相位转换器可实现±ϕ的相位转换。

图3 相位转换器结构示意图Fig.3 The schematic diagram of the phase converter

设计中用于调控的PIN 二极管型号为SMP1340-079LF。为了精确获取该型号二极管的性能,基于TRL 校准法[13]对其进行了测量,并建立了其在导通和截止状态的电路模型,如图4 所示。

图4 PIN 二极管的等效电路模型。(a)导通状态;(b)截止状态Fig.4 Equivalent circuits of the PIN diode.(a) ON state;(b) OFF state

2.1.1 导通状态

对于图3 中的相位转换器,PIN 二极管接入点与微带线LN间连有电长度为λ/4 的微带线LM2、LM3。当所有PIN 二极管正向导通时,C、D 两点与地面连接,阻抗值为零。此时相连的微带线LM2、LM3相当于四分之一波长阻抗变换器,使得微带线LM与微带线LN在连接点A、B 处的输入阻抗为无穷大。因此,在此状态下,微带线LN和LM可等效于仅有微带线LN存在,如图5(a)所示。整个转换器可等效于一条微带线Lc,on,其等效特征阻抗和相位可表示为:

2.1.2 截止状态

对于图3 中的相位转换器,当所有PIN 二极管反向截止时,理想状态下C、D 两点与地面断开,即阻抗无穷大。相位重构器中的微带线LM与LN并联,可等效为一条特征阻抗为Zc,off、电长度为θc,off的微带传输线Lc,off,如图5(b)所示。

图5 相位转换器等效图。(a)正向导通状态;(b)反向截止状态Fig.5 Equivalent circuits of the phase converter.(a) ON state;(b) OFF state

可通过二端口网络Y参数矩阵和传输矩阵来计算微带线LM与LN并联后的阻抗与相位特性。基于二端口网络的Y参数矩阵和传输矩阵的转换关系式(2)和式(3),可将一条微带线表示成Y参数矩阵的形式(式(4))。

再由微带线LN和LM的并联关系,可求解图5(a)中整个阻抗变换器等效的微带传输线Lc,off的Y参数矩阵为:

对比等效微带线的Y参数矩阵式(5)与单根微带线的Y参数矩阵式(4),可得微带线Lc,off与LM和LN之间的关系式(6)和式(7):

基于前文中阻抗变换器处于导通状态的性质,若需达到相位变换的效果,处于截止状态下的微带线Lc,off应达到Zc=Z1,θc=-θ1的特性。将这两个条件代入式(6)和式(7)中可推导出:

求解式(8)和式(9)可得,相位转换器中两支路的阻抗和相位间的关系为:

2.2 馈电网络仿真

基于上述机理分析,并结合馈电网络的相位重构需求,设计了±45°,±90°两款相位变换器。图6 和图7 分别为相位重构器的仿真S参数图和输出端相位仿真图,从中可以看出,在导通/截止状态下两者均匹配良好,且能准确实现相位的切换。

图6 相位重构器的仿真S 参数。(a)±45°;(b)±90°Fig.6 Simulated S-parameters of the phase converter.(a) ±45°;(b) ±90°

图7 相位重构器的相位仿真。(a)±45°;(b)±90°Fig.7 Simulated phases of the phase converter.(a)±45°;(b)±90°

PIN 二极管在馈电网络和天线中承担着开关的作用,其自身特性也会影响网络和天线的性能。在理想情况下,二极管处于导通/截止状态时的阻抗分别是0和+∞。在实际设计时,二极管采用的模型应为图4 的等效电路。下面首先基于仿真分析对比二极管采用理想模型和实测模型时天线性能的区别。

图8 给出了PIN 二极管采用理想模型和实测模型时±90°相位转换器的相位值对比。由图8 可清楚地看出二极管的理想模型对相位转换器的相移量影响较大。这是由于相较理想模型,二极管的实测模型考虑了容性和感性。因此,准确地提取PIN 二级管的性能参数以提高仿真结果的准确性是十分必要的。

图8 ±90°相位转换器的相位仿真Fig.8 Phase simulation of the ±90° phase converter

选取单个天线单元与±90°相位转换器进行联合仿真,图9 为PIN 二极管采用理想模型和实测模型时天线单元的S参数对比。可以看出在导通状态下,二级管的模型会对天线阻抗匹配产生一定的影响,但对天线中心工作频率点的影响较小。而在截止状态下,二级管的模型对S11的影响可忽略不计。

图9 天线单元的回波损耗。(a)正向导通状态;(b)反向截止状态Fig.9 Return losses of the antenna unit.(a) Forward conduction state;(b) Reverse cut-off state

在设计完相位转换器之后,基于图2 中的原理框图,仿真设计了可重构馈电网络。将设计的馈电网络与阵列天线进行联合仿真,并根据仿真结果进一步优化调节馈电网络的性能。由仿真结果得知,通过调整各PIN 二极管上的偏置电压,可实现阵列天线辐射方向图的重构。表2 给出在不同工作模式下各PIN 二极管的导通/截止状态以及阵列天线主波束的偏转角度。

表2 PIN 二极管的工作状态Tab.2 Working states of PIN diode

图10 给出了馈电网络的仿真结果。可见馈电网络在各工作状态下均匹配良好、信号输出分布均匀。图11 给出了馈电网络在各个工作状态下的相位分布,从仿真结果可见,各工作状态下所需的激励相位均可通过网络的调控来实现。仿真结果验证了设计的馈电网络的性能,同时证明了所设计的相位转换器可以实现预期的效果。

图10 馈电网络S 参数的仿真结果。(a)+40°;(b)+15°;(c)-15°;(d)-40°Fig.10 Simulated S-parameters of the feeding network.(a) +40°;(b) +15°;(c) -15°;(d) -40°

图11 馈电网络输出端口相位的仿真结果。(a)+40°;(b)+15°;(c)-15°;(d)-40°Fig.11 Phase simulation of the feeding network.(a) +40°;(b) +15°;(c)-15°;(d)-40°

3 实验与结果

为了进一步验证设计的阵列天线性能,加工并测试了天线实物。天线的上中层基板间的空隙通过1.1 cm 高的尼龙柱支撑,同时将L 型探针焊接于下层基板的馈电网络上。图12 为天线的实物图。

图12 天线实物图。(a)辐射贴片部分;(b)馈电网络部分Fig.12 The photograph of the fabricated antenna.(a) Radiating patches;(b) Feeding network

图13 天线的S11仿真与实测结果。(a)±40°;(b)±15°Fig.13 Simulated and measured S11 of the antenna.(a) ±40°;(b) ±15°

图14 为天线增益仿真与实测结果,验证了天线在各工作状态下能分别向+40°,+15°,-15°以及-40°方向辐射右旋圆极化波。天线的最高增益为6.48 dBi,各工作模式下的增益波动小于1.2 dB。当主波束分别指向+40°,+15°,-15°和-40°时,天线随工作频率变化的轴比和增益如图15 所示。当主辐射波束指向+15°时,天线的轴比带宽(AR<3 dB) 最小为12%(2.33～2.62 GHz)。各工作状态下天线的轴比重叠带宽也超过了10%。对比天线的测试与仿真结果,可以看到,该方向图可重构阵列天线实现了较好的性能。

图14 方向图可重构天线增益仿真与实测结果。(a)+40°;(b)+15°;(c)-15°;(d)-40°Fig.14 Simulated and measured gain of the pattern reconfigurable antenna.(a)+40°;(b) +15°;(c) -15°;(d) -40°

图15 方向图可重构天线轴比和增益仿真与实测结果。(a)+40°;(b)+15°;(c)-15°;(d)-40°Fig.15 Simulated and measured axial ratio and gain of the pattern reconfigurable antenna.(a) +40°;(b) +15°;(c) -15°;(d) -40°

实验结果验证了本设计的合理性和有效性,但是阵列天线的测试性能相比于仿真结果仍存在较小的偏差。与仿真模型相比,天线实物的加工精度和非理想的集总元件会造成一定的性能偏差。经过深入分析,造成误差的主要因素来自于L 型探针和PIN 二极管。在天线实物加工中,受限于实际条件,手动加工的L型探针的弯曲度、长度及位置[14]无法精确控制,与仿真模型相比可能存在一定的偏差,从而一定程度上影响了天线阵列的阻抗匹配性能并削弱了辐射性能。另一方面,PIN 二极管的实际性能与仿真中的模型有一定的偏差会直接影响馈电网络的匹配性能和相移特性[15]。此外,馈电网络中使用的集总元件也会引入损耗,在一定程度上降低了天线的增益。

4 结论

本文提出了一种方向图可重构圆极化阵列天线。通过设计可重构馈电网络,天线阵列的主辐射方向实现了在+40°,+15°,-15°和-40°四个角度的偏转。重构机理和天线实物的设计,验证了基于相位转换器的新型可重构馈电网络能提高设计的自由度。测试结果表明,天线阵列在各工作模式下的重叠阻抗带宽(|S11| <-10 dB)和重叠轴比带宽(AR <3 dB)分别为22% (2.2～2.74 GHz)和12.2% (2.3～2.6 GHz),验证了设计的方向图可重构天线具有较好的性能,可有效地应用于现代无线通信系统。