S 波段Y 形饋電的極化可重構圓形貼片天線

許立強，陳倩，劉長軍

四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064

目前，極化分集技術在無線通信系統(tǒng)中占有重要地位。極化分集技術可以節(jié)省頻帶資源，提高信道容量、對抗信道衰落[1]。極化可重構天線可以方便地改變極化特性。圓極化與線極化方式相比，在抗極化旋轉、抗干擾以及抗多徑效應等方面具有突出的優(yōu)勢[2]。因此，可重構圓極化天線非常適合于極化分集技術。近些年，有許多用于極化分集的可重構微帶天線被廣泛研究[3-8]。常見的方法是使用射頻開關來重構輻射單元。射頻開關的偏置線直接連接到輻射單元上，會對天線的輻射性能產(chǎn)生影響[3-5]。另一種可行的實現(xiàn)方法是重構天線的饋電結構[6-9]。本文提出了一種采用漸變的Y 形饋線的極化可重構圓形貼片天線。該天線利用直接饋電和耦合饋電2 種方式之間存在的相位差來實現(xiàn)天線的圓極化，輻射貼片和饋線之間連接2 個PIN 二極管作為開關，通過偏置電壓來控制二極管的通斷，實現(xiàn)天線的可重構。文中分析了天線的工作機理，給出了天線的結構和參數(shù)，以及仿真和測量的結果。該天線結構簡單緊湊，便于加工，在無線通信和無線能量傳輸?shù)阮I域具有潛在應用價值[10-12]。

1 天線設計及原理

常見的微帶貼片天線的饋電結構可以分為直接饋電和耦合饋電，本文提出的天線將這2 種饋電方式相結合，利用兩者之間產(chǎn)生的相位差，來實現(xiàn)天線的圓極化。該天線的輻射單元為圓形貼片，Y 形饋線的2 條分支成圓弧形，輻射貼片和饋線之間存在一個縫隙。當輻射貼片與饋線的一側分支連通時為直接饋電，另外一側為耦合饋電。通常耦合饋電的電流與直接饋電的電流存在相位滯后。通過調節(jié)輻射貼片與饋線連接點的位置，使相位差接近90°，就可以使天線實現(xiàn)良好的圓極化特性。

通過仿真發(fā)現(xiàn)：當輻射貼片與饋線左側分支連通，且連接點與圓心的連線和天線的中軸線成接近45°角時，天線的極化方式為左旋圓極化。由于天線為左右對稱結構，當輻射貼片與右側分支連接時，天線的極化方式則為右旋圓極化；當饋線的2 條分支都不與輻射貼片直接連接時，天線的饋電方式為耦合饋電，極化方式則為線極化。

基于PIN 二極管控制饋線與輻射貼片的連接，利用其開關特性，就可以實現(xiàn)天線極化的可重構。通過偏置電路控制PIN 二極管的通斷，就可以改變天線的極化。由于輻射貼片中心處的電流很弱，所以可以在此處插入一個金屬化過孔，方便偏置電路的實現(xiàn)。偏置電路由四分之波長的奇數(shù)倍的高阻抗線和一個等效為接地電容的貼片組成，不影響天線饋線的阻抗[13]。

為了減小饋線和偏置電路對輻射單元的影響，在饋線兩邊對稱地設置了2 個金屬地，使天線具有更好的輻射性能。

2 天線結構與仿真

對天線進行仿真和優(yōu)化后得到其正面的結構和具體尺寸如圖1 所示。饋線的輸入阻抗為50 Ω，在饋線中部有一個寬度為0.7 mm 的縫隙，在此處插入了一個27 pF 的貼片電容用來將直流和射頻隔開。分支的寬度逐漸變窄，可以更好地實現(xiàn)阻抗匹配。

圖1 天線結構

輻射貼片和饋線之間的距離為1 mm，在縫隙中插入2 個方向相反的PIN 二極管，二極管所在的位置和圓心的連線與天線的中軸線成45°角。當一個二極管處于導通狀態(tài)，另一個處于截止狀態(tài)時，就會構成一個不對稱的饋電結構，此時天線工作在圓極化模式；而當2 個PIN 二極管都處于截止狀態(tài)時，天線的電流分布左右對稱，工作在線極化狀態(tài)。本文使用的PIN 二極管的型號為SMP1345，正向導通電壓為0.89 V。天線的工作模式與其所對應的偏置電壓和二極管狀態(tài)如表1 所示。

表1 天線工作模式

當PIN 二極管# 1 處于導通狀態(tài)時，# 2 處于截止狀態(tài)，圓形貼片與Y 形饋線的左側分支線直接連通，與右側分支線耦合，這2 種饋電結構存在相位差，使天線處于不對稱的狀態(tài)，在這種情況下電流順時針旋轉，天線工作在左旋圓極化模式，貼片和Y 形饋線的面電流分布如圖2 所示。當PIN 二極管# 1 處于截止狀態(tài)，# 2 處于導通狀態(tài)時，圓形貼片與Y 形饋線的右側分支線直接連通，這時電流逆時針旋轉，天線工作在右旋圓極化模式。當 # 1 和# 2 均處于截止狀態(tài)時，圓形貼片上的面電流分布左右對稱，天線工作在線極化模式。

圖2 天線左旋圓極化面電流分布仿真

3 測試結果對比與分析

天線實物圖如圖3 所示，采用相對介電常數(shù)為4.4、厚度為1.6 mm 的FR4 介質板加工。天線尺寸為70 mm×75 mm，圓形貼片的半徑為16 mm。天線的S參數(shù)測試使用Agilent 矢量網(wǎng)絡分析儀，軸比和方向圖測試使用近場天線測試儀RFxpert和微波暗室。

圖3 天線實物

天線工作在圓極化模式時的S參數(shù)仿真和測量結果對比如圖4 所示。由于該天線結構對稱，所以當天線在左旋或右旋圓極化模式下工作時，會得到相似的反射系數(shù)，實測10 dB 回波損耗的相對帶寬約為6.6%。軸比的仿真和測量結果對比如圖5 所示，實測3 dB 軸比的相對帶寬約為1.2%。

圖4 圓極化S 參數(shù)仿真和測試結果對比

圖5 軸比仿真和測試結果對比

在2.53 GHz 時測得的右旋圓極化的軸比的最小值約為0.2 dB，此時測得左旋圓極化的軸比約為1.1 dB，這可能是由天線的加工誤差導致天線的結構不完全對稱引起的。天線在2.53 GHz下的仿真和測量的二維方向圖如圖6 所示，當天線在左旋和右旋圓極化模式下工作時，峰值增益的測量值均約為2.8 dBi。天線放置方向的xz面和yz面如圖1 所示。

圖6 2.53 GHz 時圓極化仿真和測試方向圖

天線工作在線極化模式時的S參數(shù)仿真和測量結果對比如圖7 所示，實測10 dB 回波損耗的相對帶寬約為1.5%。在2.56 GHz 下的仿真和測量的二維方向圖如圖8 所示，xz面為天線的E面，峰值增益的測量值約為2.7 dBi。從仿真和測量的結果可以看出，2 個PIN 二極管的開關狀態(tài)的切換可以實現(xiàn)天線的極化重構。各個狀態(tài)下的仿真與測量結果基本吻合。

圖7 線極化S 參數(shù)仿真和測試結果對比

圖8 2.56 GHz 時線極化仿真和測試方向圖

4 結論

本文設計了一種S 波段的極化可重構圓形貼片天線。

1）將直接饋電和耦合饋電2 種方式相融合，設計了一種Y 形饋電結構的S 波段貼片天線，實現(xiàn)了天線的圓極化饋線的2 條分支成圓弧形，寬度逐漸變窄，可以更好地實現(xiàn)阻抗匹配。在饋線的兩側加上金屬地結構，用來減小饋線和偏置線對輻射貼片的影響。

2）通過偏置電壓來控制2 個PIN 二極管的通斷，實現(xiàn)天線在左旋、右旋圓極化和線極化3 種模式之間的切換。

3）該天線在工作頻帶內，具有良好的輻射特性，結構簡單緊湊，便于加工，在通信、雷達和無線能量傳輸?shù)阮I域具有潛在應用價值。