一種新型圓極化可重構天線

戎君楠, 文舸一

(南京信息工程大學應用電磁學研究中心， 江蘇南京 210044)

0 引言

圓極化天線在射頻識別、定位追蹤、電視廣播等領域獲得廣泛的應用[1-3]。常見的極化可重構技術主要有兩種：一種是利用PIN二極管、MEMS等開關的通斷來重構輻射天線的電流分布使天線極化狀態發生改變[4]；另一種是通過饋電網絡或移相器對激勵進行重構，用不同的電流路徑來實現不同的極化方式[5]。至今為止，已有許多人對極化可重構天線進行了研究。文獻[6]在天線刻入X縫隙并加入PIN二極管來實現線極化和圓極化之間的切換。文獻[7]使用E形貼片引入兩個對稱的PIN二極管實現圓極化天線的可重構。文獻[8]應用旋轉排列，將4個相同單元順時針依次旋轉90°作為一個整體，分別賦予相等幅值、相位分別為0°，90°，180°，270°的激勵，實現右旋圓極化，并利用PIN二極管反轉激勵相位，實現右旋極化到左旋極化的可重構。文獻[9]采用基片集成波導饋電，給兩個正交的集成波導端口賦予相等幅值相位相差90°的激勵實現極化方式的可重構。文獻[10]使用相控陣技術，實現圓極化可重構并擴大掃描角度。

本文采用4個左旋單元依次旋轉組成一個左旋圓極化子陣，其可行性在文獻[11]中已有描述。再以該4單元子陣為單元組成16單元的微帶天線陣列。利用最大功率傳輸效率法(Method of Maximum Power Transmission Efficiency, MMPTE)將待設計的16單元陣列作為發射天線，在其遠區波束形成方向引入極化控制接收天線，二者組成一個無線功率傳輸系統(WPT)。通過優化功率傳輸效率，可以使得待設計的陣列天線的極化方式與接收天線的極化方式相一致，并獲得陣列的最優激勵分布，從而實現極化方式的可重構和掃描功能。

1 極化可重構天線陣列的設計

1.1 圓極化天線單元的設計

本設計選擇普通的切角微帶貼片左旋圓極化天線作為天線單元。天線的邊長L為18.76 mm，切角d大小為1.2 mm，饋電點位置a為5.98 mm，基板厚度為1.27 mm(50 mil)，基板材料為ROGERS3010(介電常數10.2，損耗正切0.003 5)。天線的具體尺寸參數如圖1(a)所示。單元的反射系數和軸比如圖2(a)、(b)所示，圖中顯示該左旋單元工作良好。為了實現左右旋圓極化的切換，將4個相同的左旋圓極化天線單元按照圖1(b)的方式旋轉排列構成子陣。以該子陣作為單元可構成天線陣列。

圖1 天線單元及4單元陣列擺放示意圖

圖2 單元的仿真與實測結果

圖3所示為含4個子陣的16單元陣列，其中構成子陣的4個單元的間距為25 mm，子陣之間的間距為30 mm，整個基板的邊長為157 mm，基板厚度是50 mil。

圖3 16單元可重構天線陣列

1.2 最大功率傳輸效率法與測試接收天線

先簡單介紹MMPTE的基本原理。該理論依據來源于如何使無線能量傳輸系統中傳輸效率最大化的問題[12-13]。至今，該理論已成功用于各種陣列天線的設計[14-17]。現以上述16單元陣列設計為例，簡要概述MMPTE法的基本思想。如圖4所示，待設計的16單元陣列與置于遠場區的接收天線構成收發系統。整個系統可用一個(16+1)×(16+1)散射矩陣表征如下：

(1)

式中：[at]=[a1,a2,…,an]T,[bt]=[b1,b2,…,bn]T,分別表示發射天線端口的歸一化入射波和反射波；[ar]=[an+1],[br]=[bn+1]分別表示接收天線端口的歸一化入射波與反射波(n=16)。發射天線陣列與接收天線之間的傳輸效率可用接收天線接收到的功率與發射陣列的輸出功率之間的比值Tarray來表示。

(2)

假設接收天線都匹配良好，那么[ar]=0，公式化簡為

(3)

[A][at]=Tarray[at]

(4)

由上式可求得唯一的非零特征值，它代表最大傳輸效率Tarray，相對應的特征向量即為待設計陣列的最優激勵分布。值得指出的是，單元間的排列方式、互耦、天線周邊環境等因素都包含在散射參數中。因此上述過程可以用于設計復雜環境中的任意陣列。

圖4 MMPTE原理

當設計的天線陣列與接收天線極化匹配時，傳輸效率會增加，而兩者極化失配時，傳輸效率會降低。因此，利用MMPTE法優化傳輸效率并通過控制接收天線的極化特性，有可能實現對發射陣列極化特性的控制。

本文研究如何用左旋單元構成的陣列產生右旋波。選取右(左)旋切角微帶貼片天線為接收天線，并放置在發射天線陣列的遠場區。通過MMPTE法即可求得實現右(左)旋波最優激勵分布。具體的方法是使用HFSS軟件模擬得到接收天線和發射陣列各個單元之間的散射參數，將得到的散射參數矩陣通過MMPTE法計算可得到每個端口的最優激勵分布。改變接收天線的極化特性和接收位置，可得到不同角度不同極化方式的激勵分布。通過上述方法得到實際測試時需要的激勵的幅值和相位分布，通過移相器將對應的激勵代入各個端口即可完成測量的準備工作。接收天線位于YOZ面0°，YOZ面-30°及YOZ面-60°的最優激勵分布如表1～3所示。

表1 0°激勵分布

表2 -30°激勵分布

表3 -60°激勵分布

2 實驗與結果分析

圖5為16單元左右旋極化可重構天線的實物圖。圖6是組成16單元陣列的反射系數圖，天線單元在組成16單元陣列時，反射系數的變化很小，整個陣列也能匹配良好。

圖5 16單元天線陣列

圖6 16單元陣列的反射系數圖

圖7 沿+Z軸方向陣列產生左旋波的電場旋向分布

圖8 沿+Z軸方向陣列產生右旋波的電場旋向分布

圖9 陣列各角度產生左右旋圓極化軸比

圖9還分別給出了天線陣列的軸比。從圖中可知，左/右旋波束在偏-30°和-60°時軸比小于3 dB，仍然滿足工程設計要求。

圖10(a)～(c)和圖11(a)～(c)分別為波束指向0°，-30°，-60°在不同極化方式下的共極化和交叉極化的歸一化方向圖。測試方向圖時，使用不同的圓極化喇叭，得到陣列的共極化增益和交叉極化增益，可以看出仿真與實測的數據基本吻合。左旋增益為11.4 dBi，右旋增益為10.5 dBi，二者之間的增益差小于1 dBi；而偏轉-30°時的左旋增益為10.8 dBi，右旋為9.9 dBi；偏轉-60°時左旋為8 dBi，右旋為7.4 dBi。無論波束指向什么方向，同一個天線陣列產生的左旋波增益比該陣列產生的右旋波增益均高不到1 dBi。產生差異的原因在于使用的天線單元為左旋單元。如果發射天線陣列采用右旋圓極化單元，那么產生的右旋波比左旋波增益也要高1 dBi左右。圓極化天線單元在合成與它極化特性相反的波束時，會產生1 dBi內的損耗。

(a) +Z方向左旋共極化和交叉極化歸一化方向圖

(b) 偏轉-30°左旋共極化和交叉極化歸一化方向圖

(c) 偏轉-60°方向左旋共極化和交叉極化歸一化方向圖圖10 陣列產生左旋波的仿真與實測結果圖

(a) +Z方向右旋共極化和交叉極化歸一化方向圖

(b) 偏轉-30°方向右旋共極化和交叉極化歸一化方向圖

(c) 偏轉-60°方向右旋共極化和交叉極化歸一化方向圖圖11 陣列產生右旋波的仿真與實測結果圖

以上結果表明，通過選擇接收天線極化方式，MMPTE法確實能有效控制陣列天線的極化，并能形成與天線單元極化相反的波束。

3 結束語

本文研究如何利用MMPTE法，通過對接收天線的位置和極化特性的控制，獲得待設計陣列的最優激勵分布，從而對陣列天線的掃描角度和極化方式進行控制，并實現極化可重構。本文以中心頻率為2.45 GHz的16單元陣列為例，實現了發射陣列的波束掃描及極化可重構功能。該設計可應用于電視直播，衛星定位方面，這類應用使用線極化天線時性能受天氣變化影響大，存在多徑反射干擾等問題，使用圓極化天線則可有效提高傳輸的效果。現階段的衛星天線設計均朝高頻方向發展，5 G頻段已成為研究的熱點與重點，該設計在頻率升高的情況下依然能有效保證工作性能。以上模擬與測試結果驗證了MMPTE法同時控制波束掃描和極化特性的可行性。本文研究表明，在適當的單元排列下，左旋單元構成的陣列也可以產生右旋波。