關(guān)于可重構(gòu)天線的頻率可重構(gòu)功能驗(yàn)證分析和研究

本文提出了一種新型的混合可重構(gòu)圓極化天線，該天線在可以分別實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)與極化方式可重構(gòu)。本文主要對其頻率可重構(gòu)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。其頻率可重構(gòu)是通過搭接在中央貼片與外圍方形貼片的4個變?nèi)?a target="_blank">二極管控制的，可以在S波段實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)。除去仿真驗(yàn)證外，本文還采用了ZNB8矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對其頻率可重構(gòu)性能進(jìn)行了帶電測試驗(yàn)證，證明了其頻率可重構(gòu)功能。

Abstract: In this paper, a novel hybrid reconfigurable circularly polarized antenna is proposed, which can be reconstructed in frequency reconfigurable and polarized manner, respectively. This paper also verifies the frequency reconfigurable performance. The frequency reconfiguration is controlled by the four varactor diodes attached to the central patch and the peripheral square patch, enabling frequency reconfiguration in the S-band. In addition, the ZNB8 vector network analyzer is used to verify the frequency reconfigurable performance, and its frequency reconfigurable function is proved.

Key words: Reconfigurable antenna; frequency reconfigurable; live test verification; ZNB8

1. 引言

可重構(gòu)天線當(dāng)下能夠細(xì)分為頻率可重構(gòu)，極化方式可重構(gòu)，輻射方向圖可重構(gòu)和混合方式可重構(gòu)這四大基本種類[1]。其中，前3類天線可分別改變頻率、極化方式和輻射方向圖中的一項(xiàng)參數(shù)，并使另外兩項(xiàng)參數(shù)基本保持不變。而混合方式可重構(gòu)天線對這3項(xiàng)參數(shù)具有獨(dú)立調(diào)節(jié)能力，但由于技術(shù)的不成熟性，其設(shè)計(jì)難度較高。

天線可重構(gòu)技術(shù)這一思想的提出可以追溯到上世紀(jì)80年代，Schaubert D等人在他們的發(fā)明中提出了頻率可重構(gòu)天線和極化方式可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)理念，開啟了天線設(shè)計(jì)的新篇 章[2]。近年來，因?yàn)榭芍貥?gòu)天線與傳統(tǒng)天線相比具有眾多優(yōu)勢，所以其獲得了許多新的發(fā)展，輻射方向圖可重構(gòu)天線被設(shè)計(jì)出來，混合可重構(gòu)天線也有了初步的發(fā)展與設(shè)計(jì)。我國自開始建設(shè)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)以來，也對可重構(gòu)天線進(jìn)行了一系列的研究，并設(shè)計(jì)出了一些能用于衛(wèi)星終端的天線。

由于可重構(gòu)天線具有許多傳統(tǒng)模式天線無法比擬的優(yōu)勢，因此近年來這一類天線已經(jīng)成為各國天線工程師的關(guān)注焦點(diǎn)，其功能越來越多，結(jié)構(gòu)越來越新穎。

為了有效驗(yàn)證天線頻率可重構(gòu)性能，需要通過測試系統(tǒng)對其不同工作頻率下的S11參數(shù)。本文采用了R&S公司的ZNB8矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來精準(zhǔn)測量可重構(gòu)天線的S11參數(shù)。

2. 可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)

該節(jié)提出了一種頻率極化混合可重構(gòu)天線，實(shí)現(xiàn)了天線頻率和極化獨(dú)立可調(diào)。天線模型如圖1 (a)所示，上層輻射貼片為方形貼片開槽與外環(huán)通過四個變?nèi)荻O管（SMV1129-079LF）連接，該變?nèi)荻O管可以在電壓0 V-12 V內(nèi)實(shí)現(xiàn)電容從2 pF到27 pF的變化，外環(huán)四周通過47 nH的電感與變?nèi)荻O管的直流饋線相連；中心開十字槽，實(shí)現(xiàn)一定程度的小型化；天線由背面的功分器饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)為一個具有相位差可重構(gòu)的威爾金森功分器構(gòu)成，如圖1 (b)所示，其中控制PIN二極管 (HSMS-2825) 開關(guān)通斷情況實(shí)現(xiàn)天線饋電處兩端口的相差的改變，從而做到極化重構(gòu)。功分器的末端為了防止直流偏置對射頻端口影響，添加了一個8 pF的隔直電容保護(hù)電路。上層天線位于一個介電為3，厚度為4.5 mm的基板上，中心輻射貼片為中心邊長為22.3 mm的方形貼片中心開十字形槽縫 (長度為10 mm，寬度為0.5 mm)，通過變?nèi)荻O管與中心貼片連接的是寬度為4 mm的方形金屬框，之間的縫隙為1 mm。下層饋電網(wǎng)絡(luò)位于厚度為1.5 mm，邊長為105 mm的方形介質(zhì)基板上。

圖1 (a)天線俯視圖 (b)功分器結(jié)構(gòu)

天線的極化方式是由電壓V1、V2、V3的大小來控制，當(dāng)V3＞V2＞V1時，由于二極管具有正向?qū)?、反向截至的特性，功分器左?cè)90°相移連接，右側(cè)斷開，從而使得兩個端口相差為90°，反之V1＞V2＞V3相差-90°，從而實(shí)現(xiàn)兩種圓極化的切換。

在V1＞V2＞V3情況下，天線為右旋圓極化，通過控制上層偏壓，使變?nèi)荻O管在2pF-10pF之間變化，天線諧振頻率可以在2.38 GHz-2.5 0GHz變化，并且可以始終保持圓極化，天線的實(shí)物加工圖如圖2所示。

圖2 實(shí)物加工圖

3. 仿真與測量結(jié)果

本次主要通過R&S公司的ZNB8矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測試不同工作狀態(tài)下的S11參數(shù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)天線的頻率可重構(gòu)性能。

在V1＞V2＞V3情況下，天線為右旋圓極化，通過控制上層偏壓，使變?nèi)荻O管在2pF-10pF之間變化，天線的S11仿真結(jié)果如圖3所示，可以看出天線諧振頻率在2.38 GHz-2.50 GHz變化，天線的軸比在諧振頻率范圍內(nèi)始終小于3 dB。

圖3 天線S(1,1) 參數(shù)仿真結(jié)果

ZNB8矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以在30 V的直流電壓下對天線進(jìn)行測試，因此可以用于加電測試本天線的頻率可重構(gòu)性能。

ZNB8矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的天線在1.5V,3V,6V,9V,12V對應(yīng)的工作狀態(tài)如圖4所示。不同電壓對應(yīng)的頻率見表1?？梢钥闯?，天線在不同狀態(tài)下可以在不同頻率可重構(gòu)。

圖4 天線S(1,1)參數(shù)測量結(jié)果

表1 天線在不同電壓下對應(yīng)的頻率

4. 結(jié)束語

通過仿真與實(shí)測的驗(yàn)證，對該混合可重構(gòu)天線的頻率可重構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，可以看出由于手工焊接以及連接線連接過程中對天線組裝的影響。以及四個變?nèi)荻O管的不一致性，導(dǎo)致天線諧振頻率出現(xiàn)一定程度的偏移，但是仍可以看到隨著直流偏置電壓的變化下，天線諧振頻率變化的趨勢。ZNB8矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在帶電情況下依舊非常精準(zhǔn)，在驗(yàn)證過程中起到了很重要的作用。