寄生切角極化可重構(gòu)微帶貼片天線

 引言

微帶天線以其低輪廓、重量輕、低成本和易于電路集成等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)。而且，線極化微帶天線通過引入附加的微擾單元很容易產(chǎn)生圓極化輻射。最近極化可切換的極化可重構(gòu)微帶天線引起了極大的關(guān)注。這類天線在無線通信系統(tǒng)多系統(tǒng)工作、頻率復(fù)用和克服信號(hào)多徑衰落等方面非常有效。其中，多數(shù)設(shè)計(jì)都是在輻射貼片和附加微擾單元之間直接加入PIN開關(guān)二極管或場效應(yīng)管等開關(guān)器件，通過開關(guān)器件來改變主輻射貼片和微擾單元的電連接特性，從而使天線具有不同的極化工作特性。

本文提出了一種新的極化可重構(gòu)微帶貼片天線設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)采用微擾法實(shí)現(xiàn)天線的圓極化輻射特性，天線不僅能夠以左旋(LHCP)或右旋(RHCP)兩種不同的圓極化方式工作，而且其極化工作方式也能在圓極化(CP)和線極化(LP)之間相互切換。此外，該寄生切角極化可重構(gòu)微帶貼片天線由于其自身特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，省去了多數(shù)極化可重構(gòu)天線中用到的防止直流信號(hào)進(jìn)入射頻通路的隔直電容。

2 天線結(jié)構(gòu)

本文提出的微帶貼片極化可重構(gòu)天線，通過引入寄生切角作為微擾單元實(shí)現(xiàn)圓極化，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線4個(gè)寄生切角結(jié)構(gòu)完全相同，切角與主輻射貼片的間隙很小。這些切角通過PIN開關(guān)二極管與接地過孔和地板相連。開關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，寄生切角等效為并聯(lián)電容，呈現(xiàn)容性;而當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，寄生切角等效為電感，呈現(xiàn)感性。

通過適當(dāng)設(shè)計(jì)寄生切角的位置、大小和切角與主輻射貼片的縫隙間距，能夠在天線中激勵(lì)起兩個(gè)幅度相等、相位相差±90°的正交工作，從而實(shí)現(xiàn)圓極化輻射特性。改變PIN開關(guān)二極管的開關(guān)狀態(tài)，可以使得這兩個(gè)工作模式的相位在+90°和-90°之間切換，從而使天線極化方式能夠在左旋圓極化(LHCP)、右旋圓極化(RHCP)之間切換。

由于天線采用寄生切角的方式來產(chǎn)生圓極化輻射，切角與主輻射貼片之間的縫隙起到了直流饋電網(wǎng)絡(luò)RF與直流隔離作用，因此省去了多數(shù)設(shè)計(jì)中用到的隔直電容。

為了向PIN開關(guān)二極管提供直流偏置電壓，從4個(gè)寄生切角引出4條直流偏置引線。為減小直流引線對(duì)天線的影響，在引線離寄生切角1/4工作波長處通過大電容C1、C2、C3和C4接地，如圖1所示。對(duì)天線工作頻率來說，在引線的1/4工作波長處近似短路，經(jīng)過1/4波長阻抗變換，引線在與寄生切角相接的位置近似開路，從而能夠近似忽略引線的影響。此外，天線采用微帶側(cè)饋方式饋電，并通過阻抗變換線，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。 仿真與實(shí)測結(jié)果

圖2是實(shí)際加工的寄生切角極化可重構(gòu)微帶貼片天線。天線介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)εr=2.65，厚度h=0.8mm。天線具體尺寸如下：天線地板大小為120mm×120mm，縫隙g=0.15mm，w=13.1mm。微帶方形貼片邊長l=60.0mm，其諧振頻率大概在1.6GHz附近。直流偏置引線的寬度為0.2mm。電容C1、C2、C3和C4容值大小為56pF，對(duì)天線工作頻率近似短路。天線中使用的4只PIN開關(guān)二極管的型號(hào)為HSMP3860。該型號(hào)開關(guān)二極管具有導(dǎo)通電阻小，反向截止電阻大，以及結(jié)電容小等良好的射頻開關(guān)特性。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其等效電路可以粗略地等效為0.7Ω導(dǎo)通電阻和0.25pF電容并聯(lián);當(dāng)開關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其可以等效為10kΩ導(dǎo)通電阻和0.25pF電容并聯(lián)。

圖2 天線實(shí)物照片

(a) 仿真結(jié)果

(b) 實(shí)測結(jié)果

圖3中給出了如表1給出的不同開關(guān)組合狀態(tài)下的天線回波損耗的仿真與實(shí)測結(jié)果。從圖中知道，Case1和Case2狀態(tài)下，天線輸入特性具有很好的一致性，其仿真和實(shí)測結(jié)果頻率分別是1.610GHz和1.641GHz，相對(duì)頻偏1.8%;Case3狀態(tài)下，天線工作頻率的仿真與實(shí)測結(jié)果分別是1.607 GHz和1.623GHz，相對(duì)頻偏1.0%;Case4狀態(tài)下，天線工作頻率的仿真與實(shí)測結(jié)果分別是1.624 GHz和1.654GHz，相對(duì)頻偏1.8%。 表1 天線不同開關(guān)組合狀態(tài)

圖4和圖5分別給出了Case1和Case2兩個(gè)狀態(tài)下，天線左旋和右旋圓極化分量仿真和實(shí)測歸一化增益方向圖。由實(shí)測結(jié)果，Case1狀態(tài)時(shí)，天線主輻射極化方式為右旋圓極化方式(RHCP)，主輻射方向的交叉極化(即左旋圓極化, LHCP)的實(shí)測增益<-15.2dB;Case2狀態(tài)時(shí)，天線主輻射極化方式則為左旋圓極化方式(LHCP)，主輻射方向的交叉極化(即右旋圓極化, RHCP)的實(shí)測增益<-14.6dB。Case1和Case2狀態(tài)下，天線仿真增益分別為4.3dB和4.6dB，實(shí)測增益分別為4.1dB和4.2dB。表2列出了不同開關(guān)組合狀態(tài)下的極化工作方式。 表2列出了不同開關(guān)狀態(tài)下天線的極化工作方式。結(jié)果表明，該天線極化工作方式能夠在線極化和圓極化之間切換，但由于線極化和圓極化之間切換時(shí)存在頻率偏移現(xiàn)象，會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。

(a) x-z平面增益方向圖

(b) y-z平面增益方向圖

圖4 Case1狀態(tài)下，天線x-z和y-z平面實(shí)測增益方向圖

(a) x-z平面

(b) y-z平面

圖5 Case2狀態(tài)下，天線x-z和y-z平面實(shí)測增益方向圖

表2 不同開關(guān)狀態(tài)下，天線的極化工作方式

4 結(jié)論

本文提出的極化可重構(gòu)微帶貼片天線，具有良好的圓極化重構(gòu)能力，同時(shí)天線的輸入特性保持了良好的一致性。而且，由于天線采用寄生切角的方式來產(chǎn)生圓極化輻射，從而使得開關(guān)二極管的直流饋電網(wǎng)絡(luò)易于實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該天線的極化工作方式能夠?qū)崿F(xiàn)在兩種圓極化工作方式之間切換。該天線在智能無線通信極化分集技術(shù)中有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。