基于圆环缝隙结构的圆极化可重构微带天线设计

李 媛，韩康康，李建兰，叶春晖

(天津大学电子信息工程学院，天津 300072)

天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件，在无线通信系统中起着至关重要的作用．随着无线通信系统的迅猛发展，对天线的要求越来越高．一方面要求天线具有宽频带、多功能、多业务融合等特点，另一方面又要求天线的体积小、质量轻、成本低．从而提出了可重构天线的概念并迅速得到发展．可重构天线的基本思想是共用同一个天线口径，通过电控开关实时变换天线结构，并实时改变通用口径中的电流分布，从而获得所需要的天线特性．故每个可重构天线可等效为共用一个辐射单元的多副天线，使多天线的结构十分紧凑[1-2]．

近年来，国内外对可重构天线的研究已取得了很大进展，获得了众多研究成果[3-5]．如在实现方法上可通过改变天线单元的结构或是通过改变天线外部的馈电网络使天线具有可重构的特性．这样可以通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式，利用无线多径信道的空间自由度提高系统容量与传输速率．因此，可重构天线作为一种新型天线在阵列天线中具有重要的应用价值，将成为下一代无线通信系统中的核心技术之一．

可重构天线按功能可分为频率可重构、方向图可重构、极化可重构和多参数可重构天线．极化可重构天线由于能增加独立的收发信道而不增加天线体积，尤其适用于体积受限的移动终端，因此引起了越来越多的关注．圆极化天线由于不存在极化失配现象，更容易获得相关性较低的平衡接收功率而呈现较大优势．一对左旋圆极化(left hand circular polarigation，LHCP)波和右旋圆极化(right hand circular polarigation，RHCP)波互为交叉极化，理想情况下一对互为交叉极化的波是互相隔离的，即用LHCP的天线是无法接收 RHCP来波的信号，反之亦然[6-7]．利用交叉极化隔离特性可在相同空间内设置两个或两个以上的独立收发信道，可减小天线体积．因此，采用圆极化可重构天线能在相同体积下增加无线信号的收发通道，有利于后端空时信号处理，被认为是提高通信容量的有效方法[8-9]．而展宽圆极化天线频带宽度是提高其实用价值的关键，是实现天线宽频带和小型化的研究重点，针对这方面已开展了许多研究，但是在槽缝结构上多采用单一的矩形缝结构[10]．例如，Marc等[6]提出的双馈电调谐短截棒结构，Yang等[11-12]设计的在矩形贴片上开两个交叉的槽并在槽缝上添加开关结构，还有 Sung等[13]提出的在方形贴片上切角等方案均已经实现了左右旋圆极化可重构的功能．之后，Fries[14]设计的一种带有微扰的圆环缝隙结构的微带天线实现了线极化和圆极化的多极化可重构．正是由于圆环缝隙结构在结构上的高度对称性，使其匹配问题容易解决，且设计起来比较简单[15]．

笔者采用圆环缝隙结构设计了左、右旋圆极化可重构天线，提出了在天线接地板上添加十字形槽拓展天线带宽的方法，并证明这种方法在不显著增加天线体积情况下，能使天线带宽提高1倍．

1 圆环缝隙结构天线

圆环缝隙结构天线是圆极化天线的典型结构．下面对圆环缝隙结构(简称环缝结构，如图 1所示)的频率特性进行分析．环缝结构天线是一种微带结构，基片的一面是接地板，上面开了一个环形缝隙，另一面用开路微带线馈电，其坐标系如图2所示．

图1 用微带线馈电的微带环缝天线Fig.1 Ring slot antenna with microstrip feeder

图2 圆环缝隙及其坐标系Fig.2 Ring slot and its coordinate

理论上，在无限大导电平板上的环形缝隙，可看成是面磁流的环形分布，可表示为

式中：Ea是口面电场；n是垂直于口面的单位矢量．环缝天线的远场方向图根据电矢量位法计算求得，假设接地面无限大，不考虑边沿绕射场的影响，远区电场的Eθ和Eφ分量可按两种情况分别求出．

窄缝情况Ⅰ：即 ω ＜＜ω0，且Eφ′=0，Eρ= 常数=E0，则

近似求解缝隙内的场分布，等效为求解环形均匀分布磁流元的场分布．

窄 缝 情 况 Ⅱ ：即 ω ＜ ＜ ω0，且 Eφ′= 0 ，Eρ= E0⋅cosnφ ′ ，则

这样当0φ′=和πφ′=时，环缝内的场主要集中分布在相应的两个区域内．从式(4)和式(5)中可以看出，当01ak= 时，环缝天线工作在基模状态．这时天线在垂直于环缝所在平面的方向上增益最大，即天线方向图主瓣指向这一方向．随着模式的增高，天线的表面波和高次模激励将严重影响天线的轴比情况．如要获得良好的轴比，在设计时要求天线工作在低阶模式以及基模状态．用HFSS仿真软件对环缝天线进行仿真可知，环缝天线工作在基模状态时，在其内半径约等于一个波长时谐振，环缝半径越大，基片尺寸越大，则工作频率越低．

由式(4)和式(5)可知，环缝内场主要集中分布在φ′=0和φ′=π相应两个区域内．研究表明在天线接地板相应区域的环缝上添加矩形槽或十字形槽(如图3、图 4所示)可以明显改变天线输入阻抗匹配状况，显著增加天线的带宽．图1中天线大小为32,mm×34,mm、基板厚度为0.8,mm、环缝内半径 rb＝8.5,mm、环缝外半径ra＝10.5,mm、圆环中心距馈电臂距离dl＝2,mm．图 3在此基础上加一个 2.0,mm的矩形槽，图4是在图 1的基础上加一个槽宽为 1.5,mm十字形槽．用 HFSS软件仿真对这 3种天线结构进行分析，得到 3种天线在 5,GHz附近的仿真 S11参数曲线，如图5所示．

图3 添加矩形槽的环缝天线结构Fig.3 Architecture of ring slot antenna with rectangular groove

图4 添加十字形槽的环缝天线结构Fig.4 Architecture of ring slot antenna with cross groove

图5 3种结构天线阻抗带宽对比Fig.5 Comparison of impedance bandwidth of antenna of three kinds

通常认为实际测量中S11＜-10 dB的带宽即为天线带宽[16]．从图 5中可看出，在环缝天线上添加矩形槽或十字形槽后，在较宽的频率范围内，天线输入阻抗得到了比较理想的匹配，使天线带宽显著增加，相对阻抗带宽从5%扩展到20%以上，提高了4倍．这两种扩展天线带宽的方法利用圆极化天线的交叉极化隔离特性，没有增加天线体积，对馈电网络也没特殊的要求，有很强的可操作性．相比之下，添加十字形槽的天线频率特性更好．

2 环缝结构可重构天线的设计与分析

为进一步说明添加十字形槽的方法对圆极化天线频带宽度的改善效果，设计了一个环缝结构的可重构天线，如图6所示．

图6 环缝结构的可重构天线结构示意Fig.6 Architecture of reconfigurable antenna with ring slot

对天线馈电网络进行了精心的设计，将起到可重构作用的馈电部分设置在 100,Ω馈线上，减小电磁波反射；仅采用两个与环缝耦合的馈电臂，尽最大可能减小可重构时多余的耦合部分．另外，采用倒角措施，避免了直角馈线处的反射等．图 6中右端为特性阻抗为 50,Ω的中心馈线与激励相连，序号 1～8为电控开关的位置，可用 MEMS开关实现．其工作方式为：通过 MEMS开关控制馈电部分“折线”和“直线”的切换，调整两个馈电臂的长度使得两个馈电臂上相应位置的电流幅值相等，一个馈电臂上电流相位超前或滞后另一馈电臂 90°，从而实现左、右旋圆极化的可重构．当开关 3、4、5、6打开，天线辐射右旋圆极化波；当开关 1、2、7、8打开，天线辐射左旋圆极化波．设计中的相关参数为：基片介电常数rε＝4.4；tanδ＝0.02；厚度 h＝0.8,mm；基片尺寸为 26,mm×24,mm；环缝内半径 rb＝5.5,mm；环缝外半径 ra＝7.5,mm；馈电臂长度 lt＝6.2,mm；圆环中心距馈电臂距离 dl＝1.8,mm；两馈电臂长度差为 7,mm．计算得出相应的S11参数、轴比(AR)曲线为图7和图8中虚线所示，方向图如图9所示．

图7 十字形槽天线与原始天线S11参数曲线对比Fig.7 Comparison of curves S11 between cross slot antenna and original antenna

图8 十字形槽天线与原始天线的AR曲线对比Fig.8 Comparison of caves AR between cross slot antenna and original antenna

图9 可重构天线的方向图Fig.9 Pattern of reconfigurable antenna

为展宽频带，研究在圆极化可重构天线上添加十字形槽结构，在图 6所示的环缝天线(环缝 2,mm)上添加宽度为 1.2,mm 的十字形槽(见图 10)．通过对图 10的结构进行测试，得出相应的 S11参数、AR曲线，如图 7、图 8中的实线所示．方向图如图11所示．从图7、图 8中可看出，未添加十字形槽之前，S11＜-15,dB的频率范围可从4.67,GHz到5.50,GHz，AR＜3,dB的范围从4.75,GHz到5.20,GHz，天线相对带宽在 8%以上，且其方向图前后瓣是对称的，这与天线结构相符．添加十字形槽之后天线的带宽显著增加，相对带宽从 8%增加到 16%，提高了 1倍，明显改善了天线频率特性，提高了天线宽带化、小型化的指标．从图 9和图 11中可看出天线方向图增益也有所改善，从原来的-4.2,dB到2,dB，在添加十字形槽以后改善为-5.4,dB,到 3,dB．

图10 添加十字形槽后天线示意Fig.10 Antenna with cross groove

图11 添加十字形槽后天线方向图Fig.11 Pattern of antenna with cross groove

3 天线试验电路及测试分析

由于天线左、右旋圆极化结构是对称的，其匹配问题比较容易解决．选择用相对介电常数为 4.4、厚度为 0.8,mm的介质基板，按照图 10所示结构，设计制作一个工作频率为 5,GHz的 RHCP可重构天线(见图 12和图 13)．根据对称性，此 RHCP结构同样能反映出LHCP的主要特性．环缝内半径rb＝5.5,mm，环缝外半径ra＝7.5,mm，即环缝宽度为2,mm，十字形槽宽度为1.2,mm．图14显示了通过矢量网络分析仪测试得出改进后的环缝天线的S11参数曲线图与仿真所得的 S11参数比较结果，可以看出仿真与实测值基本吻合．改进后天线的方向图如图15所示，与图9和图11相比，图15中的方向图形状略有变化，这是由于实物天线的接地面有限，并存在较强的边沿绕射和环缝辐射，对主辐射方向图有调制作用，产生少量扰动的结果．

图12 添加十字形槽可重构天线实物接地面示意Fig.12 Grounding surface of cross slot reconfigurable antenna

图13 添加十字形槽可重构天线实物馈线面Fig.13 Microstrip feeder surface of cross slot reconfigurable antenna

图14 实测RHCP结构S11参数曲线Fig.14 S11 curves of RHCP structure

图15 5.00 GHz处同极化与交叉极化的方向图Fig.15 Pattern of copolarization and cross polarization in 5.00 GHz

实测的阻抗带宽为 4.45～5.50,GHz，可见天线频带宽度的改善效果显著．在 4.75～5.45,GHz范围内，天线轴比均满足要求，实测相对轴比带宽为 14%．图15为 5.0,GHz处同极化与交叉极化增益比较图．利用交叉极化隔离特性能在相同空间内增加天线结构，减小了可重构天线体积，图 12中与圆极化可重构天线对比的是一角硬币，可以看出天线体积是相对较小的．

4 结 语

在改善圆极化可重构天线频带宽度的基础上，研究了在环缝天线上添加矩形槽或十字形槽扩展天线带宽的方法，并设计制作了一种基于圆环缝隙结构的右旋圆极化可重构天线，在天线接地板上添加了十字形槽．分别用HFSS软件仿真和矢量网络分析仪实测天线的频率特性，通过比较天线频率特性，其改善效果十分明显，而且具有很强的可操作性．仿真和实测结果均证明了这种方法在不增加天线体积的情况下，能将天线频带宽度提高 1倍．如果通过附加反射板的方法，还能进一步提高天线增益．

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