一种基于共面波导馈电的宽带多极化可重构天线

靳贵平 李龙 孙毅 王伟 廖绍伟

(1.华南理工大学 电子与信息学院,广东 广州 510640；2.毫米波国家重点实验室,江苏 南京 210096)

在过去的十多年里，随着无线通信技术的高速发展，无线应用日益增加，给人们的生活带来了极大便利。但与此同时，无线应用的剧增也使得通信环境变得越来越复杂，使得多径反射和极化失配增加，进而影响通信。为了提高无线通信系统的质量和容量，极化可重构天线是其中备受关注的解决方案之一。极化可重构天线可以根据无线应用实时环境和通信要求的需要，切换相应的极化模式，实现极化分集和频率分集，提高信道容量，此外也有利于降低多径反射和极化失配造成的信号损耗，提高通信的质量[1]。

天线是极化器件，不同的极化模式有着不同的应用场景，如在地波通信中，水平极化波贴近地面传播时会产生较大的损耗，因此地波通信常采用垂直极化波;而在室内无线通信的发射端，较垂直极化波，采用水平极化波发射可多获得10 dB的增益[2- 3]。相较于线极化(LP)波，圆极化波在遇到障碍时会发生极化反转，因此可有效降低雨雾干扰、多径反射和极化失配等带来的损耗，极大地增加通信系统容量和提高通信质量[4- 8]。一般地，根据极化可重构天线的极化模式，可分为线极化可重构天线、圆极化可重构天线和多极化可重构天线。天线可在多种线极化之间切换，称为线极化可重构天线[9- 12]。文献[12]提出了一款线极化可重构天线，天线基于交叉偶极子设计，实现了0°、45°、90°和135° 4种线极化工作模式，覆盖-10 dB重叠阻抗带宽达53%(2.3～4.0 GHz)。但值得注意的是，该天线只能工作于线极化模式下，面对极端天气干扰、多径反射和极化失配的应对能力不足，大大限制了线极化可重构天线的应用。天线可实现左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)之间的切换，称为圆极化可重构天线[13- 16]。圆极化天线可接收相同旋向的圆极化波和线极化波，因此相较于线极化天线，可大大增加系统的容量和提高通信质量。文献[15]提出了一款圆极化可重构天线，该天线基于可重构馈电网络设计，可工作在左/右旋圆极化模式，有效工作带宽为23.5%(1.5～1.9 GHz)。该天线可实现收/发圆极化波，抗干扰能力较强，但是工作带宽较窄;此外，当来波是线极化波时，虽然可以接收，但也会损耗一半的能量。鉴于线极化可重构天线和圆极化可重构天线的优势与不足，结合了二者长处的、可在线极化和圆极化之间切换的混合多极化可重构受到该领域学者的关注[17- 22]。文献[21]提出了一款基于沟槽天线的宽带多极化可重构天线，该天线可工作于线极化、左旋圆极化和右旋圆极化3种模式，其有效工作带宽为10.8%(3.43～3.82 GHz)。该天线同时具备线极化和圆极化工作模式，但是阻抗带宽较窄，无法满足时下宽带化的现代通信需求。

为了满足宽带化的通信需求，本文提出了一款基于共面波导馈电的宽带多极化可重构天线。该天线基于共面微带线设计，通过共面波导进行馈电，再辅以简单的寄生单元和加载在参考地上的4个PIN二极管开关，来实现宽带线极化、左/右旋圆极化可重构。

1 天线设计

天线的结构如图1所示，主要包括介质基板、参考地单元、主辐射单元以及印刷在介质板两面的寄生单元。介质基板采用0.8 mm厚度的玻璃纤维环氧树脂板(FR- 4)，它的介电常数εr为4.4，介质损耗角正切值tanθ为0.02，平面尺寸为60 mm×75 mm。主辐射单元印刷在介质基板的正面，其贴片类似喇叭状，渐变结构有利于获得较宽的阻抗带宽。参考地单元与主辐射单元共面，并在参考地上开缝且置入4个PIN二极管开关，标记为D1、D2、D3和D4。通过控制4个二极管开关的状态，改变参考地单元上的电流分布，从而改变天线有效孔径的辐射，进而实现多种极化模式。此外，为了改善圆极化特性、增强轴比带宽，矩形寄生单元和C型寄生单元分别印刷在介质基板的正面和背面。在圆极化模式下，它们通过调节x方向和y方向上电场分量的幅度和相位，经过参数优化，从而增加圆极化轴比带宽。与此同时，如图1(a)所示，为了实现PIN二极管开关的独立控制并保持射频电流的连续性，文中使用了5个隔直电容，其中4个焊接在参考地的缝隙上、一个焊接在SMA射频接头与地之间。通过优化仿真，得到天线尺寸的最终值。此外，表1给出了天线在不同极化模式下对应的开关状态。

图1 天线结构(单位：mm)Fig.1 Geometry of the antenna(Unit:mm)

表1 不同天线极化模式下对应的开关状态Table 1 Switch states of different antenna polarization modes

2 天线仿真与测试

天线首先采用ANSYS公司的电磁仿真软件HFSS进行建模和优化，然后将最终优化的天线模型进行实物制作，如图2所示。为了验证天线的性能，对天线实物进行参数测试，包括电路参数(主要关注回波损耗|S11|)和辐射参数(主要包括辐射方向图、轴比、增益等)。电路参数实测采用安捷伦公司生产的二端口矢量网络分析仪，型号为Agilent N5230A- 420，实测现场如图3(a)所示。辐射参数测试系统为法国SATIMO公司的Smartlab微波暗室，实测现场如图3(b)所示。

图2 天线实物图Fig.2 Photographs of the proposed antenna

图3 天线实测现场Fig.3 Photographs of the proposed antenna measurement

图4给出了天线回波损耗|S11|参数的实测和仿真结果对比。如图4(a)所示，线极化模式下，天线实测-10 dB阻抗带宽达到52%，覆盖2.33～3.97 GHz频段;如图4(b)所示，圆极化模式下，天线实测-10 dB重叠阻抗带宽达48.5%，覆盖2.42～3.97 GHz频段。通过与仿真结果比对发现，实测结果有一定频偏和多余谐振，在左/右旋圆极化时，|S11|曲线在3.0～3.5 GHz频段范围内与-10 dB水平线接近。出现上述问题主要是由于天线制作精度有限和电容等器件焊接工艺等引入了人为误差，以及偏置电路与其杜邦线影响天线阻抗匹配和引入损耗，从而导致频偏或者多余谐振出现。

图5给出了天线在圆极化模式下，其轴比AR的实测和仿真结果对比。如图5(a)所示，当天线工作于左旋圆极化模式下时，实测3 dB轴比带宽为48.2%，覆盖2.33～3.81 GHz频段；当天线工作于右旋圆极化模式下时，实测3 dB轴比带宽为48.5%，覆盖2.33～3.81 GHz频段。两种圆极化模式下，天线实测3 dB重叠轴比带宽达到48.2%，覆盖2.33～3.81 GHz频段。由图5分析可知，天线圆极化轴比仿真与实测结果基本一致，但受天线制作和偏置电路影响，实测3 dB轴比较仿真结果更接近3 dB水平线。结合|S11|的实测结果，可以得到天线的有效工作带宽为44.6%，覆盖2.42～3.81 GHz频段。

图6给出了天线在辐射方向(+z)上的实测和仿真增益的对比分析。如图所示，3种模式下，在天线有效工作带宽(2.42～3.81 GHz) 内，天线实测增益与仿真结果比较一致，但实测增益均比仿真增益低，下降约0.5～1.5 dB。这主要是由于天线制作精度受限、PIN二极管和电容焊接工艺不良、偏置电路等引起阻抗匹配恶化导致损耗增加;此外，SMA接头与测试馈线也会引入一定的连接损耗和线损。

图7、图8和图9给出了3种极化模式下天线实测和仿真的主极化和交叉极化方向图，包括2.5、2.7和3.0 GHz 3个频点，分别取其xoz面和yoz面的方向图，其中|E|为电场模(电场的大小)。线极化模式下，实测方向图与仿真结果有所偏差，实测的交叉极化偏大，主要原因是受偏置电路PCB板以及连接偏置电路的杜邦线影响较大，同时制作精度受限对其也有一定影响。但仿真与实测结果趋势大致相同，基本可以验证仿真结果的正确性，实验结果可以接受。此外，由xoz面和yoz面的方向图可知，天线在xoz面上沿±z轴辐射，在yoz平面上，天线为全向辐射。图8和图9分别是左/右旋圆极化模式下的天线辐射方向图。由图可知，当工作于左/右旋圆极化模式下时，天线沿±z轴辐射，实测辐射方向图稳定。但也同样受到天线实物加工精度、偏置电路等的影响，其实测方向图与仿真结果相比某些方面略有偏差，但二者整体上比较一致。

3 电流分析

天线的表面电流分布决定了天线有效孔径辐射的远场分布，通过研究天线表面电流分布，可以直观地了解天线的辐射模式和工作原理。图10给出了天线在线极化和左旋圆极化模式下的天线表面电流分布。当4个PIN二极管开关均处于导通状态、两侧参考地电流分布一致、电流无相位差时，天线工作于线极化模式下。图10(a)给出了天线工作于线极化模式下时，2.7 GHz频点的表面电流在一个周期内的变化情况。如图所示，天线主要依靠主辐射单元工作，在一个周期内，天线表面电流始终关于x轴对称，所以天线极化模式为x方向线极化。当PIN二极管D1和D4导通、D2和D3断开时，天线参考地的右侧开缝处被二极管连通，其表面电流连续。相反地，天线参考地左侧由于开缝处二极管断开，其表面电流不连续，此时电流沿着槽边缘流动，电流流动路径增加，通过适当优化，增加的电流路径形成了约90°的相位差。此外，天线为单馈点，理论上天线表面各点电流幅值相等，于是天线可辐射和接收圆极化波。图10(b)是天线工作于左旋圆极化模式下时，其在2.7 GHz频点的表面电流在一个周期内的变化情况。如图所示，天线表面电流沿顺时针转动，所以此时天线工作于左旋圆极化模式下。类似地，天线工作于右旋圆极化模式下的工作原理可参考左旋圆极化模式下的分析，在此不再赘述。

图10 天线在2.7 GHz频点的表面电流分布Fig.10 Surface current distribution at 2.7 GHz

4 参数分析

除了电流分析外，参数分析是研究和设计天线的重要方法之一。文中通过参数分析，了解天线各部分对天线性能的影响，并据此优化天线尺寸。仿真实验发现，参考地与主辐射单元之间的缝隙g和主辐射单元长度Lf对天线性能有着较大影响，如图11、12和13所示。

图11 缝隙宽度g对参数|S11|的影响Fig.11 Effect of parameter g on |S11|

由图11可知，缝隙宽度g对天线的各极化模式下的阻抗匹配有着显著的影响。随着g的增加，各极化模式下的带内阻抗匹配得到改善，且-10 dB阻抗带宽有往高频移动趋势。而由图13(a)可知，g对圆极化模式下的轴比影响微弱。图12给出了天线主辐射单元长度Lf对天线参数|S11|的影响情况。随着Lf的增加，线极化模式下的带内阻抗匹配变差，而圆极化模式下则恰好相反。此外，由图13(b)可知，Lf对低频的圆极化轴比影响较大。最终优化的g和Lf值分别是1.1 mm和51 mm。

5 比较与讨论

表2给出了文中所提天线与几篇文献中天线关键性能指标的比较结果。由表2可知，与目前现有的极化可重构天线相比，文中所提天线在工作带宽上有着较大的优势。巨大的带宽优势可以满足时下日益增多的无线应用的要求，具有光明的应用前景。此外，本文所设计的极化可重构天线在结构上也是较为小型和紧凑的，可满足通信系统小型化和集成化的要求。

表2 可重构天线关键性能指标的比较1)

6 结论

面对日益严峻的通信环境，为了解决现代无线通信高质量、宽带化、大容量的通信要求，本文对宽带多极化可重构天线进行了相关研究，提出了一款基于共面波导馈电的宽带多极化可重构天线。天线主要由共面微带线和寄生单元组成，使用50 Ω射频接口进行馈电。通过置入和控制焊接在共面地上的4个PIN二极管开关的通/断状态，重置天线表面电流分布，改变天线有效孔径远场辐射，从而实现了天线的在线极化、左/右旋圆极化之间的切换。实测结果显示，天线在3种工作状态下的-10 dB阻抗带宽达到48.5%，覆盖2.42～3.97 GHz频段；圆极化模式下的3 dB轴比带宽约为48.2%，覆盖2.33～3.81 GHz频段。从而，天线实现了高达44.6%的有效带宽，覆盖2.42～3.81 GHz。文中所设计的天线与其他文献中的天线比较可知，该天线拥有3种可重构极化模式的同时，还具备工作频带宽、结构比较简单、结构小型以及方向图增益稳定等特点，可以满足时下应用广泛的移动通信的要求——如WLAN 2.45 GHz、LTE TD- 2600等，以及卫星通信的S频段的无线应用和其他的一些多极化应用场景。