寄生切角極化可重構微帶貼片天線

2014-07-16 來源:互聯網 我要評論(0) 字號:

1  引言

微帶天線以其低輪廓、重量輕、低成本和易于電路集成等優點,被廣泛應用于各種無線通信系統。而且,線極化微帶天線通過引入附加的微擾單元很容易產生圓極化輻射。最近極化可切換的極化可重構微帶天線引起了極大的關注。這類天線在無線通信系統多系統工作、頻率復用和克服信號多徑衰落等方面非常有效。其中,多數設計都是在輻射貼片和附加微擾單元之間直接加入PIN開關二極管或場效應管等開關器件,通過開關器件來改變主輻射貼片和微擾單元的電連接特性,從而使天線具有不同的極化工作特性。

本文提出了一種新的極化可重構微帶貼片天線設計方案。該設計采用微擾法實現天線的圓極化輻射特性,天線不僅能夠以左旋(LHCP)或右旋(RHCP)兩種不同的圓極化方式工作,而且其極化工作方式也能在圓極化(CP)和線極化(LP)之間相互切換。此外,該寄生切角極化可重構微帶貼片天線由于其自身特點和結構,省去了多數極化可重構天線中用到的防止直流信號進入射頻通路的隔直電容。

2  天線結構

本文提出的微帶貼片極化可重構天線,通過引入寄生切角作為微擾單元實現圓極化,具體結構如圖1所示。該天線4個寄生切角結構完全相同,切角與主輻射貼片的間隙很小。這些切角通過PIN開關二極管與接地過孔和地板相連。開關處于截止狀態時,寄生切角等效為并聯電容,呈現容性;而當開關導通時,寄生切角等效為電感,呈現感性。

通過適當設計寄生切角的位置、大小和切角與主輻射貼片的縫隙間距,能夠在天線中激勵起兩個幅度相等、相位相差±90°的正交工作,從而實現圓極化輻射特性。改變PIN開關二極管的開關狀態,可以使得這兩個工作模式的相位在+90°和-90°之間切換,從而使天線極化方式能夠在左旋圓極化(LHCP)、右旋圓極化(RHCP)之間切換。

由于天線采用寄生切角的方式來產生圓極化輻射,切角與主輻射貼片之間的縫隙起到了直流饋電網絡RF與直流隔離作用,因此省去了多數設計中用到的隔直電容。

為了向PIN開關二極管提供直流偏置電壓,從4個寄生切角引出4條直流偏置引線。為減小直流引線對天線的影響,在引線離寄生切角1/4工作波長處通過大電容C1C2C3C4接地,如圖1所示。對天線工作頻率來說,在引線的1/4工作波長處近似短路,經過1/4波長阻抗變換,引線在與寄生切角相接的位置近似開路,從而能夠近似忽略引線的影響。此外,天線采用微帶側饋方式饋電,并通過阻抗變換線,實現阻抗匹配。

3  仿真與實測結果

圖2是實際加工的寄生切角極化可重構微帶貼片天線。天線介質基片的相對介電常數εr=2.65,厚度h=0.8mm。天線具體尺寸如下:天線地板大小為120mm×120mm,縫隙g=0.15mm,w=13.1mm。微帶方形貼片邊長l=60.0mm,其諧振頻率大概在1.6GHz附近。直流偏置引線的寬度為0.2mm。電容C1C2C3C4容值大小為56pF,對天線工作頻率近似短路。天線中使用的4只PIN開關二極管的型號為HSMP3860。該型號開關二極管具有導通電阻小,反向截止電阻大,以及結電容小等良好的射頻開關特性。當開關導通時,其等效電路可以粗略地等效為0.7Ω導通電阻和0.25pF電容并聯;當開關處于截止狀態時,其可以等效為10kΩ導通電阻和0.25pF電容并聯。

圖2  天線實物照片

(a) 仿真結果

(b) 實測結果

圖3中給出了如表1給出的不同開關組合狀態下的天線回波損耗的仿真與實測結果。從圖中知道,Case1和Case2狀態下,天線輸入特性具有很好的一致性,其仿真和實測結果頻率分別是1.610GHz和1.641GHz,相對頻偏1.8%;Case3狀態下,天線工作頻率的仿真與實測結果分別是1.607 GHz和1.623GHz,相對頻偏1.0%;Case4狀態下,天線工作頻率的仿真與實測結果分別是1.624 GHz和1.654GHz,相對頻偏1.8%。

表1  天線不同開關組合狀態

天線狀態

PIN1

PIN2

PIN3

PIN4

Case1

ON

OFF

ON

OFF

Case2

OFF

ON

OFF

ON

Case3

ON

ON

ON

ON

Case4

OFF

OFF

OFF

OFF

圖4和圖5分別給出了Case1和Case2兩個狀態下,天線左旋和右旋圓極化分量仿真和實測歸一化增益方向圖。由實測結果,Case1狀態時,天線主輻射極化方式為右旋圓極化方式(RHCP),主輻射方向的交叉極化(即左旋圓極化, LHCP)的實測增益<-15.2dB;Case2狀態時,天線主輻射極化方式則為左旋圓極化方式(LHCP),主輻射方向的交叉極化(即右旋圓極化, RHCP)的實測增益<-14.6dB。Case1和Case2狀態下,天線仿真增益分別為4.3dB和4.6dB,實測增益分別為4.1dB和4.2dB。表2列出了不同開關組合狀態下的極化工作方式。

表2列出了不同開關狀態下天線的極化工作方式。結果表明,該天線極化工作方式能夠在線極化和圓極化之間切換,但由于線極化和圓極化之間切換時存在頻率偏移現象,會在實際應用中受到一定的限制。

(a) x-z平面增益方向圖

(b) y-z平面增益方向圖

圖4  Case1狀態下,天線x-z和y-z平面實測增益方向圖

(a) x-z平面

(b) y-z平面

圖5  Case2狀態下,天線x-z和y-z平面實測增益方向圖

表2  不同開關狀態下,天線的極化工作方式

天線狀態

極化方式

Case1

RHCP

Case2

LHCP

Case3

LP

Case4

LP

 

4  結論

本文提出的極化可重構微帶貼片天線,具有良好的圓極化重構能力,同時天線的輸入特性保持了良好的一致性。而且,由于天線采用寄生切角的方式來產生圓極化輻射,從而使得開關二極管的直流饋電網絡易于實現。實驗結果表明,該天線的極化工作方式能夠實現在兩種圓極化工作方式之間切換。該天線在智能無線通信極化分集技術中有著潛在的應用價值。

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