新型可重构临近耦合偶极子天线阵

谢倩倩，周永刚，欧阳伟忠，李博南

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 210000)

可重构天线由于辐射特性受到关注。在不增加天线数量的前提下，可重构天线能实现多种工作模式，动态改变某些电磁特性，从而具有多种功能［1］，用于智能武器、汽车和飞机雷达、无线和卫星通信网络以及空间遥感等领域［2］。

1983 年，D.Schaubert 首次提出可重构天线概念。最初的可重构天线多使用移相器［3］，但随着频率的升高，移相器的价格会变得非常昂贵。文献［4］使用MEMS 开关实现波束控制，避免了传统移相器的缺点，但MEMS［5］开关本身的响应速度稍慢。文献［6］通过pin 管开关控制巴伦长度，改变天线相位，实现波束控制，此时的波束跃度是有限的。

偶极子天线作为天线阵列中常用的天线形式，可通过多种方式馈电，其中临近耦合馈电是最实用的一种形式［7］。文献［7］理论上提出调整振子间距可改变天线阵列的主辐射方向，并设计出不同辐射方向的天线阵列。

基于以上理论，设计了一种使用邻近耦合馈电的可重构偶极子天线阵列。在10 GHz 波段内，通过pin 管的通断实现主辐射角度在0°和40°不同辐射方向的切换，增益稳定、匹配良好、结构简单、无需移相器、pin 管控制切换，响应迅速。为了实现一定的扫描范围，需在天线阵表面集成更多的天线阵列，通过外围控制电路控制辐射角度的改变，为全固态可重构天线奠定了基础［8］。

1 可重构天线阵设计原理

为了减小辐射片重构对馈电结构的影响，馈电端口使用单端口临近耦合馈电。调整振子间距可实现扫描角度的改变，同时间距的改变会使端口阻抗匹配变差，临近耦合馈电使阻抗匹配的可调参数增多，可比其他馈电方式更容易与辐射贴片达到阻抗匹配。使用ADS 中的Linecal 计算得出，天线馈线的宽度约1.5 mm。

为达到一定的天线增益，天线采用7 个辐射单元的天线阵，最终0°的天线阵增益可达12 dB，但方向图副瓣并未得到抑制，考虑到天线阵采用加权算法抑制副瓣［9］，使用Matlab 编程计算得到每个天线振子中心偏移馈线中心的距离为0.8，2.0，2.5，3.0，2.5，2.0，0.8，单位mm。对天线振子偏移距离进行优化，最后0°的天线方向图副瓣达到－13.6 dB。

为实现波束控制，可通过改变天线阵相邻元的电流相位来完成。在本设计中，通过调节相邻天线振子的距离和振子偏移中心距离实现波束改变。通过公式

计算可得到，为了达到40°的扫描角度，此时振子间距约为10 mm;为抑制辐射方向40°的方向图副瓣，经Matlab 计算，可得出天线振子中心偏移馈线中心的距离依次为2.2，2.4，2.6，2.8，3.0，3.2，3.4，单位mm。

将两个主辐射方向的天线阵集成于同一基板，两个方向的天线振子会有一部分重合，为使pin 管更方便控制角度切换，对振子间距和第一片振子到端口的距离微调，同时，在不影响天线性能的前提下，对0°天线阵第4、5 片振子分别向右、向左移动0.2 mm，减少振子重合，这样可更加便捷地实现辐射角度的切换，且避免振子间因为距离太近产生耦合。

为了实现波束扫描，需在天线阵上集成更多的阵列，用pin 管阵列代替微带辐射振子，通过外围控制电路控制pin 管的通断，从而改变辐射方向，实现天线重构。本设计为全固态可重构天线奠定了理论基础，并验证了该方案的可实施性。

2 可重构天线阵仿真测试

天线介质基板的介电常数ε=3.55，厚度0.5 mm，天线俯视图如图1 所示。使用CST 软件对天线模型进行仿真，经过仿真优化，天线的具体尺寸参数如表1 所示。

图1 0°+40°天线俯视图

表1 天线的物理尺寸 mm

根据以上数据对天线进行加工测试，得到的天线结构如图4 所示。

图2 可重构天线实物图

使用矢量网络分析仪对天线的S11参数进行测试，得到的测试结果如图5 和图6 所示。

图3 0°天线回波损耗测试及仿真曲线

图4 40°天线回波损耗测试及仿真曲线

图3 和图4 中，虚线是实测数据，实线是仿真数据，由以上实测数据可看出，天线阵出现较多的频点，但在中心频点并未改变，谐振频点的增多初步考虑是因为振子上焊接的金属丝和电感电阻的存在，影响了振子匹配和磁场分布，此时0°和40°的天线阵，工作中心频点约为9.8 GHz，带宽可达到约200 MHz。

对于天线方向图的测量在微波暗室中进行，归一化结果如下。由图5 和图6 可看出，天线基本可实现在0°和40°的辐射，且仿真与测试趋势基本吻合，该可重构天线天线在0°的－10 dB 阻抗带宽约150 MHz，最大增益12.1 dB，副瓣低于－13.6 dB，40°的－10 dB 阻抗带宽约350 MHz，最大增益为8.7 dB，副瓣低于－10.9 dB。验证了可重构天线的可行性。

图5 可重构天线阵0°测试仿真方向图

图6 可重构天线阵40°测试仿真方向图

3 结束语

设计的可重构邻近耦合偶极子天线阵，使用pin管通断控制不同辐射方向的转换，无需使用移相器。采用CST 软件对天线阵进行仿真，通过改变天线振子间距和振子中心偏移馈线中心的距离改变辐射角度。对天线进行加工测试，测试数据与仿真吻合度较高，说明该天线可是实现方向图角度扫描，端口馈电匹配良好。天线尺寸小、结构简单，较大程度上提高了波束的可重构性。使用这种方式设计的波束可重构天线阵可用于交通监管以及雷达探测等军事领域。

［1］ 胡越.一种新型极化可重构微带天线［J］.微波学报，2014(S1):5－8.

［2］ 王安国，张佳杰，王鹏，等.可重构天线的研究现状与发展趋势［J］.电波科学学报，2008，23(5):997－1002.

［3］ De Luis J R，De Flaviis F.A reconfigurable dual frequency switched beam antenna array and phase shifter using PIN diodes［C］.Antennas and Propagation Society International Symposium，Apsursi 09，IEEE，2009:1－4.

［4］ Chiao J，Cheng S，Chang J J L.MEMS reconfigurable antennas［J］.International Journal of RF and Microwave Computer aided Engineering，2001(11):301－309.

［5］ 陈燕仙.MEMS 开关可重构天线的研究与设计［D］.上海:华东师范大学，2005.

［6］ Guo Y J，Can Ding.A beam switching quasi－yagi dipole antenna［J］.IEEE APS，2013(7):4891－4899.

［7］ Das N K，Pozar D M.Analysis and design of series－fed arrays of printed dipoles proximity coupledtoaperpendicularmicrostripline［J］.IEEE Transactions on AP，1989(4):435－444.

［8］ 陈丽娜，郭庆功.一种可重构的半导体等离子体串馈天线阵的设计［C］.顺德:第十四届全国微波能应用学术会议，2009.

［9］ 周明.宽带阵列天线副瓣电平的优化算法研究［D］.西安:西安电子科技大学，2009.