寄生切角极化可重构微带贴片天线
1 引言
微带天线以其低轮廓、重量轻、低成本和易于电路集成等优点，被广泛应用于各种无线通信系统。而且，线极化微带天线通过引入附加的微扰单元很容易产生圆极化辐射。最近极化可切换的极化可重构微带天线引起了极大的关注。这类天线在无线通信系统多系统工作、频率复用和克服信号多径衰落等方面非常有效。其中，多数设计都是在辐射贴片和附加微扰单元之间直接加入PIN开关二极管或场效应管等开关器件，通过开关器件来改变主辐射贴片和微扰单元的电连接特性，从而使天线具有不同的极化工作特性。
本文提出了一种新的极化可重构微带贴片天线设计方案。该设计采用微扰法实现天线的圆极化辐射特性，天线不仅能够以左旋(LHCP)或右旋(RHCP)两种不同的圆极化方式工作，而且其极化工作方式也能在圆极化(CP)和线极化(LP)之间相互切换。此外，该寄生切角极化可重构微带贴片天线由于其自身特点和结构，省去了多数极化可重构天线中用到的防止直流信号进入射频通路的隔直电容。
2 天线结构
本文提出的微带贴片极化可重构天线，通过引入寄生切角作为微扰单元实现圆极化，具体结构如图1所示。该天线4个寄生切角结构完全相同，切角与主辐射贴片的间隙很小。这些切角通过PIN开关二极管与接地过孔和地板相连。开关处于截止状态时，寄生切角等效为并联电容，呈现容性；而当开关导通时，寄生切角等效为电感，呈现感性。
通过适当设计寄生切角的位置、大小和切角与主辐射贴片的缝隙间距，能够在天线中激励起两个幅度相等、相位相差±90°的正交工作，从而实现圆极化辐射特性。改变PIN开关二极管的开关状态，可以使得这两个工作模式的相位在＋90°和－90°之间切换，从而使天线极化方式能够在左旋圆极化(LHCP)、右旋圆极化(RHCP)之间切换。
由于天线采用寄生切角的方式来产生圆极化辐射，切角与主辐射贴片之间的缝隙起到了直流馈电网络RF与直流隔离作用，因此省去了多数设计中用到的隔直电容。
为了向PIN开关二极管提供直流偏置电压，从4个寄生切角引出4条直流偏置引线。为减小直流引线对天线的影响，在引线离寄生切角1/4工作波长处通过大电容C1、C2、C3和C4接地，如图1所示。对天线工作频率来说，在引线的1/4工作波长处近似短路，经过1/4波长阻抗变换，引线在与寄生切角相接的位置近似开路，从而能够近似忽略引线的影响。此外，天线采用微带侧馈方式馈电，并通过阻抗变换线，实现阻抗匹配。
3 仿真与实测结果
图2是实际加工的寄生切角极化可重构微带贴片天线。天线介质基片的相对介电常数εr=2.65，厚度h=0.8mm。天线具体尺寸如下：天线地板大小为120mm×120mm，缝隙g=0.15mm，w=13.1mm。微带方形贴片边长l=60.0mm，其谐振频率大概在1.6GHz附近。直流偏置引线的宽度为0.2mm。电容C1、C2、C3和C4容值大小为56pF，对天线工作频率近似短路。天线中使用的4只PIN开关二极管的型号为HSMP3860。该型号开关二极管具有导通电阻小，反向截止电阻大，以及结电容小等良好的射频开关特性。当开关导通时，其等效电路可以粗略地等效为0.7Ω导通电阻和0.25pF电容并联；当开关处于截止状态时，其可以等效为10kΩ导通电阻和0.25pF电容并联。
图2 天线实物照片
(a) 仿真结果
(b) 实测结果
图3中给出了如表1给出的不同开关组合状态下的天线回波损耗的仿真与实测结果。从图中知道，Case1和Case2状态下，天线输入特性具有很好的一致性，其仿真和实测结果频率分别是1.610GHz和1.641GHz，相对频偏1.8%；Case3状态下，天线工作频率的仿真与实测结果分别是1.607 GHz和1.623GHz，相对频偏1.0%；Case4状态下，天线工作频率的仿真与实测结果分别是1.624 GHz和1.654GHz，相对频偏1.8%。
表1 天线不同开关组合状态
天线状态
PIN1
PIN2
PIN3
PIN4
Case1
ON
OFF
ON
OFF
Case2
OFF
ON
OFF
ON
Case3
ON
ON
ON
ON
Case4
OFF
OFF
OFF
OFF
图4和图5分别给出了Case1和Case2两个状态下，天线左旋和右旋圆极化分量仿真和实测归一化增益方向图。由实测结果，Case1状态时，天线主辐射极化方式为右旋圆极化方式(RHCP)，主辐射方向的交叉极化(即左旋圆极化, LHCP)的实测增益<-15.2dB；Case2状态时，天线主辐射极化方式则为左旋圆极化方式(LHCP)，主辐射方向的交叉极化(即右旋圆极化, RHCP)的实测增益<-14.6dB。Case1和Case2状态下，天线仿真增益分别为4.3dB和4.6dB，实测增益分别为4.1dB和4.2dB。表2列出了不同开关组合状态下的极化工作方式。
表2列出了不同开关状态下天线的极化工作方式。结果表明，该天线极化工作方式能够在线极化和圆极化之间切换，但由于线极化和圆极化之间切换时存在频率偏移现象，会在实际应用中受到一定的限制。
(a) x-z平面增益方向图
(b) y-z平面增益方向图
图4 Case1状态下，天线x-z和y-z平面实测增益方向图
(a) x-z平面
(b) y-z平面
图5 Case2状态下，天线x-z和y-z平面实测增益方向图
表2 不同开关状态下，天线的极化工作方式
天线状态
极化方式
Case1
RHCP
Case2
LHCP
Case3
LP
Case4
LP
4 结论
本文提出的极化可重构微带贴片天线，具有良好的圆极化重构能力，同时天线的输入特性保持了良好的一致性。而且，由于天线采用寄生切角的方式来产生圆极化辐射，从而使得开关二极管的直流馈电网络易于实现。实验结果表明，该天线的极化工作方式能够实现在两种圆极化工作方式之间切换。该天线在智能无线通信极化分集技术中有着潜在的应用价值。