基于蝶形振子的可重構(gòu)圓極化端射天線設(shè)計(jì)

孫盛濤 曹祥玉 高 軍 楊歡歡

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710007)

1 引言

隨著無(wú)線通信的發(fā)展，各種平臺(tái)對(duì)天線的性能要求越來(lái)越高。端射天線的主波束方向平行于天線所在的平面，具有定向輻射特性和低剖面特性，因此可以廣泛應(yīng)用在機(jī)載雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)、反輻射導(dǎo)彈等平臺(tái)[1]。將端射天線和圓極化天線結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)端射圓極化天線，可以克服載體姿態(tài)變化、電磁波多徑反射以及電磁波的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，因此在通信、雷達(dá)探測(cè)、導(dǎo)航等領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。基于經(jīng)典的磁電偶極子理論，將磁偶極子和電偶極子進(jìn)行組合，文獻(xiàn)[2–5]設(shè)計(jì)了工作在5.8 GHz ISM頻段的單層單向端射圓極化天線單元。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6,7]通過將單元進(jìn)行組陣，設(shè)計(jì)了雙向和全向的端射圓極化天線陣列，增益大約1 dBi。文獻(xiàn)[8,9]通過激勵(lì)高次模和使用磁電偶極子陣列的方法，進(jìn)一步提高了天線帶寬。不同于傳統(tǒng)的磁電偶極子組合方式，文獻(xiàn)[10,11] 將SIW H平面喇叭和Vivaldi天線平行放置，在基板平面中產(chǎn)生兩個(gè)正交極化，與SIW耦合器組合在一起提供具有90°相位差的相同饋電幅度，設(shè)計(jì)了一種工作于K波段的端射圓極化天線。文獻(xiàn)[12–16]在毫米波頻段設(shè)計(jì)了一系列的可用于5G通信的端射圓極化天線，多為非平面結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[17,18]利用buteler矩陣和SIW設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)，將圓極化端射天線單元組陣，實(shí)現(xiàn)了多波束輻射。

當(dāng)天線的極化方式固定時(shí)，天線只能輻射固定極化方式的波束，同時(shí)也只能接收相對(duì)應(yīng)的波束。因此實(shí)現(xiàn)天線的極化方式可重構(gòu)，可以降低電磁波多徑效應(yīng)產(chǎn)生的衰落，使天線工作在更加復(fù)雜的電磁環(huán)境中。文獻(xiàn)[19–21]通過引入PIN二極管和直流電路，通過切換電偶極子的狀態(tài)來(lái)改變圓極化的方式，分別設(shè)計(jì)了單向的和雙向的極化可重構(gòu)端射圓極化天線。目前，極化可重構(gòu)的圓極化端射天線的設(shè)計(jì)方式較為單一，文獻(xiàn)較少，進(jìn)行深入研究具有一定的必要性。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一款可重構(gòu)的圓極化端射天線，通過加載MEM開關(guān)，使天線可以在左旋和右旋兩種圓極化狀態(tài)之間進(jìn)行切換，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線工作頻段為11.24～11.83 GHz，端射方向增益均大于5.1 dBi，極化可重構(gòu)性能得到證明。

2 天線設(shè)計(jì)與分析

2.1 天線結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的天線共分為4部分，微帶線饋電部分、H面SIW喇叭部分、蝶形振子部分以及MEMS開關(guān)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。上層為金屬貼片，中間為介質(zhì)板，下層為金屬地和貼片。金屬材質(zhì)為銅，電導(dǎo)率為σ=5.8×107S/m。采用F4B介質(zhì)基板，厚度h=2.5 mm，介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.001。上下兩層金屬之間的通孔間距為p=1.2 mm，通孔直徑為d=0.6 mm。天線的頂層布局和底層布局一樣，饋電部分介質(zhì)上層為微帶線，下層為金屬地，通過微帶線饋電。在蝶形振子和移相器之間加載4個(gè)MEMS開關(guān)S1，S2，S3，S4，控制天線的極化方式。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

2.2 實(shí)現(xiàn)圓極化端射輻射的原理

兩個(gè)幅度相等，相位差為π/2且相互垂直的線極化分量可以合成圓極化波。本文所設(shè)計(jì)的天線就是基于此原理，由H面喇叭天線和蝶形振子分別提供垂直極化分量和水平極化分量，通過調(diào)整移相器長(zhǎng)度和振子寬度從而實(shí)現(xiàn)端射方向圓極化波的輻射。

當(dāng)暫定天線上某一點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，觀察天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射波時(shí)，從不同的角得到的輻射場(chǎng)的相位可以繪制成一幅曲面圖。這個(gè)曲面圖代表了天線以該點(diǎn)作為輻射中心的相位方向圖。若得到的相位方向圖相對(duì)于任意方向的值都相等，則代表天線輻射波面表現(xiàn)為一個(gè)球面，該點(diǎn)即球面波的相位中心。喇叭天線的相位中心一般位于距口面一定距離Lc的喇叭內(nèi)部，如圖2(a)所示。

利用電磁仿真軟件HFSS 14.0建立一個(gè)相對(duì)坐標(biāo)系，改變相對(duì)坐標(biāo)系的位置，使得在該相對(duì)坐標(biāo)系中計(jì)算出天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射相位方向圖相對(duì)最平坦，則該相對(duì)坐標(biāo)系最終的坐標(biāo)原點(diǎn)即為所求相位中心。如圖2(b)所示，給出了頻率為 11.5 GHz、Lc=7.7 mm 時(shí)的電場(chǎng)相位方向圖，由圖可知，相位在端射方向的一定角度范圍內(nèi)幾乎不變，故該天線的相位中心位于距喇叭口面7.7 mm處。通過調(diào)整移相器長(zhǎng)度，可以使相位差滿足??=π/2。

圖2 相位中心的確定

為了實(shí)現(xiàn)圓極化波束，還需要使垂直線極化和水平線極化滿足幅度值相等這個(gè)條件。移相器不僅可以調(diào)節(jié)相位差，同時(shí)可以調(diào)節(jié)從喇叭口徑到達(dá)蝶形振子的能量大小，從而進(jìn)一步影響輻射分量。因此調(diào)整移相器長(zhǎng)度，可以使天線兩部分的輻射在遠(yuǎn)場(chǎng)相位差為90°左右。

2.3 實(shí)現(xiàn)圓極化可重構(gòu)的原理

MEMS開關(guān)對(duì)極化方式的調(diào)控如表1所示。由于兩對(duì)振子關(guān)于移相器對(duì)稱，所以上下振子之間存在180°相位差，在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)也存在180°相位差。因此當(dāng)喇叭天線和振子的幅度相同，相位差為90°時(shí)，加載4個(gè)MEMS開關(guān)，通過控制其開斷狀態(tài)，來(lái)改變上下兩層蝶形振子與移相器之間的連接狀態(tài)，從而控制電流流向，最終使天線在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生不同的圓極化波，即左旋圓極化和右旋圓極化。天線工作在狀態(tài)1和狀態(tài)2時(shí)，蝶形振子上的電流分布以及電流路徑示意圖(t = 0)如圖3、圖4所示。利用電磁仿真軟件HFSS 14.0來(lái)對(duì)天線的特性進(jìn)行仿真計(jì)算，其中MEMS開關(guān)用金屬貼片來(lái)代替。

圖3 不同狀態(tài)下振子工作時(shí)的表面電流分布(t = 0)

圖4 兩種狀態(tài)下振子的電流路徑示意圖(t = 0)

表1 開關(guān)狀態(tài)對(duì)極化方式的調(diào)控

2.4 天線主要參數(shù)對(duì)性能的影響

由天線工作原理可知，移相器長(zhǎng)度L5對(duì)天線性能影響較大。移相器長(zhǎng)度對(duì)端射方向電場(chǎng)相位和幅度影響如圖5(a)、圖5(b)所示，增大移相器長(zhǎng)度，可以減小端射方向兩個(gè)線極化分量rE(φ)和rE(θ)之間的相位差。移相器的長(zhǎng)度主要對(duì)端射方向電場(chǎng)的rE(φ)分量的幅度和相位產(chǎn)生影響，對(duì)端射方向電場(chǎng)的rE(θ)分量的幅度和相位影響不大。當(dāng)移相器長(zhǎng)度增大時(shí)，端射方向電場(chǎng)幅度差先減小后增大，在L5=6 mm時(shí)最接近0，電場(chǎng)相位差在L5= 6 mm和8 mm時(shí)都比較接近90°，故而在L5=6 mm時(shí)軸比帶寬最寬，如圖5(c)所示。如圖5(b)、圖5(d)所示，增大移相器的長(zhǎng)度，會(huì)減小端射方向電場(chǎng)水平極化分量rE(φ)的幅度，從而降低天線的增益。綜合考慮，為了使端射方向兩個(gè)線極化分量的幅度相等，相位差接近90°，且增益不會(huì)衰減過大，取移相器長(zhǎng)度L5=6 mm。

圖5 移相器長(zhǎng)度對(duì)天線性能的影響

振子寬度對(duì)天線的影響如圖6所示。當(dāng)振子寬度Wdr=1 mm時(shí)，天線振子形狀為矩形。振子寬度對(duì)天線的阻抗匹配影響不大，但對(duì)軸比有一定的影響。當(dāng)振子形狀從矩形變?yōu)榈螘r(shí)，端射方向幅度差先減小后增大，相位差接近于90°的頻段向低頻移動(dòng)，相對(duì)應(yīng)的軸比帶寬向低頻方向移動(dòng)，與阻抗帶寬重疊部分增大。繼續(xù)增大振子寬度，會(huì)使得軸比惡化。因此，綜合考慮，選擇振子寬度Wdr=5 mm的蝶形振子來(lái)為天線提供水平線極化的輻射分量。

圖6 振子寬度對(duì)天線性能的影響

結(jié)合八木天線的原理，為了提高增益，在天線末端加上引向器。引向器上可以耦合出電流，更好地引導(dǎo)能量向端射方向傳播，從而提高增益。如圖7(a)、圖7(b)所示，加載引向器對(duì)天線端射方向的遠(yuǎn)場(chǎng)相位rE(φ)和rE(θ)影響不大，因此可以認(rèn)為引向器對(duì)偶極子的耦合效應(yīng)很弱，在該設(shè)計(jì)中可以忽略。同時(shí)使天線遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)幅度rE(φ)增強(qiáng)，即加大了水平極化電場(chǎng)幅度，對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)幅度rE(θ)，即垂直極化電場(chǎng)幅度影響不大。如圖7(c)、圖7(d)所示，加載引向器有利于減小水平極化和垂直極化電場(chǎng)幅度差，進(jìn)而使天線軸比帶寬有所改善，但影響不大，引向器的主要作用是提高天線的增益。對(duì)引向器在天線上下兩層加載和單層加載進(jìn)行性能對(duì)比，綜合考慮天線尺寸和性能，最終設(shè)計(jì)方案采用在天線末端上下兩層對(duì)稱地加載一對(duì)引向器，如表2。

表2 優(yōu)化后的單元尺寸(mm)

圖7 引向器對(duì)天線性能的影響

3 天線輻射特性

本文所設(shè)計(jì)的天線可以工作在左旋圓極化和右旋圓極化兩種狀態(tài)下，S11曲線、增益和軸比曲線如圖8所示。仿真表明，在11.14～11.91 GHz頻帶范圍內(nèi)，天線的S11參數(shù)小于–10 dB，可以實(shí)現(xiàn)有效輻射，天線的諧振頻點(diǎn)在11.5 GHz。當(dāng)極化狀態(tài)為左旋圓極化時(shí)，3 dB軸比帶寬為11.24～11.89 GHz，當(dāng)極化狀態(tài)為右旋圓極化狀態(tài)時(shí)，3 dB軸比帶寬為11.25～11.94 GHz。仿真分析天線在工作頻段內(nèi)端射方向的增益曲線，在天線的有效頻段內(nèi)，端射方向增益均可以達(dá)到5.7 dBi以上。

圖8 不同極化狀態(tài)下天線的S11曲線、增益和軸比曲線

圖9給出了天線在11.5 GHz兩種極化狀態(tài)下的3D輻射方向圖，圖10、圖11給出天線在11.5 GHz的2維方向圖。仿真結(jié)果表明，在開關(guān)處于狀態(tài)1條件下，天線在yoz面的3 dB波束寬度為80°，在xoy面的3 dB波束寬度為29°。在開關(guān)處于狀態(tài)2條件下，天線在yoz面的3 dB波束寬度為89°，在xoy面的3 dB波束寬度為29°。天線可以保持端射方向的輻射。

圖9 天線在兩種狀態(tài)下11.5 GHz處的仿真輻射方向圖

圖10 狀態(tài)1(LHCP)下的天線在11.5 GHz處的方向圖

圖11 狀態(tài)2(RHCP)下的天線在11.5 GHz處的方向圖

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)天線的極化方式轉(zhuǎn)換性能，取距離天線端射方向(+y)1/2波長(zhǎng)處的輻射面，畫出其在11.5 GHz時(shí)的電場(chǎng)矢量在1個(gè)周期內(nèi)的分布情況。如圖12、圖13所示，在1個(gè)周期內(nèi)，電場(chǎng)矢量在狀態(tài)1下沿著順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，在狀態(tài)2下沿著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，電磁波沿+y軸傳播。電場(chǎng)分布圖表明不同開關(guān)狀態(tài)下，該天線在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域分別輻射左旋圓極化波和右旋圓極化波，實(shí)現(xiàn)了兩種圓極化方式的切換。

圖12 左旋圓極化狀態(tài)下11.5 GHz時(shí)的電場(chǎng)分布

圖13 右旋圓極化狀態(tài)下11.5 GHz時(shí)的電場(chǎng)分布

4 加工與實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)天線的有效性，采用商用印刷電路板技術(shù)對(duì)本文所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了加工制造。本文采用的MEMS開關(guān)的模型是Radant公司型號(hào)為RMSW200HP的單刀單擲射頻MEMS開關(guān)，在7～15 GHz頻段內(nèi)，插入損耗小于0.5 dB，回波損耗小于0.3 dB，端口隔離度大于17 dB。本文考慮到MEMS開關(guān)價(jià)格昂貴、加工難度大等因素，無(wú)論是仿真還是加工實(shí)測(cè)，均將其簡(jiǎn)化為金屬橋結(jié)構(gòu)，采用金屬橋有無(wú)的方法來(lái)模擬MEMS開關(guān)的通斷，簡(jiǎn)化了仿真模型，縮短了設(shè)計(jì)周期，這種方法在此類利用MEMS開關(guān)的文章中也很常見[22,23]。本文采用金屬的有無(wú)來(lái)代替開關(guān)的通斷，分別加工了左旋圓極化和右旋圓極化的兩種極化狀態(tài)下的天線，并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。天線的實(shí)物和測(cè)試環(huán)境如圖14所示。圖15(a)為天線在兩種狀態(tài)下的反射系數(shù)S11測(cè)試和仿真曲線，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線的阻抗帶寬為11.24～11.98 GHz，和仿真結(jié)果基本相同。對(duì)比圖15(b)中兩種圓極化狀態(tài)下天線在端射方向處增益和軸比的仿真和實(shí)測(cè)數(shù)值，在11.5 GHz處，天線實(shí)測(cè)增益和仿真增益分別為5.96 dBi和5.70 dBi。實(shí)測(cè)3 dB軸比帶寬為11.24～11.83 GHz，阻抗帶寬和3 dB軸比帶寬的重疊部分為11.24～11.83 GHz。圖16給出了天線在11.5 GHz下的歸一化輻射方向圖，測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致。

圖14 天線加工以及性能測(cè)試

圖15 天線仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖16 天線在11.5 GHz方向圖的實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于蝶形振子的平面端射圓極化天線，加載MEMS開關(guān)實(shí)現(xiàn)了左旋圓極化和右旋圓極化兩種極化方式的重構(gòu)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，該天線的阻抗帶寬為11.24～11.98 GHz，3 dB軸比帶寬為11.24～11.83 GHz，可以實(shí)現(xiàn)沿端射方向的輻射，端射方向增益大于5.1 dBi。在雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。