方向圖可重構(gòu)天線及其相控陣研究

隨著無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，使得同一平臺搭載的信息子系統(tǒng)數(shù)目增加，作為無線通信系統(tǒng)中信息出入必然通道的天線而言，其數(shù)量也相應(yīng)增加，這樣非常不利于綜合系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，結(jié)構(gòu)緊湊的可重構(gòu)天線具有改善這種不利局面的巨大潛力。另外，相控陣所能實(shí)現(xiàn)的波束電掃描能夠大大的拓展其應(yīng)用范圍，目前典型的相控陣能掃描到的角度僅為-45o 到+45 o，綜合分析，造成相控陣的這種小角度掃描范圍主要由兩個因素導(dǎo)致，其一是天線本身的方向圖特性，其二是互耦的存在，因此，如何拓展相控陣的掃描范圍成為一個很熱門的研究熱點(diǎn)。從某種程度上而言，方向圖可重構(gòu)天線的提出能夠解決這一問題。

本文提出了一種雙頻方向圖可重構(gòu)介質(zhì)諧振天線，該天線具有兩個諧振頻率，通過控制安裝在饋電網(wǎng)絡(luò)上的四個開關(guān)，可以得到，每個諧振頻率對應(yīng)四個不同的方向圖，從而實(shí)現(xiàn)重構(gòu);另外，對于同一種開關(guān)狀態(tài)而言，兩個諧振頻率所對應(yīng)的方向圖相互對稱。本文也提出了應(yīng)用該重構(gòu)天線單元組成的相控陣，該陣列采用稀布陣列的組陣方式。研究結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)相控陣而言，該相控陣具有較低的副瓣和較大的掃描范圍。

2 方向圖可重構(gòu)介質(zhì)天線

2.1 天線結(jié)構(gòu)

本文提出的可重構(gòu)天線單元如圖1所示。

由一個挖掉內(nèi)圓柱體的半球介質(zhì)諧振器和底部的正交饋電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，采用中心同軸饋電。

(a) 三維圖

(b) 底面圖

圖1 雙頻介質(zhì)方向圖可重構(gòu)天線

該介質(zhì)諧振天線的相對介電常數(shù)為εr=6，半徑為R=7.2mm,內(nèi)部挖掉的圓柱的半徑和高度分別為r=6.6mm和3.5mm,四個半徑和長度分別為rpin=0.62mm和L=3.48mm金屬柱子分別固定在正交饋電網(wǎng)絡(luò)的末端上，正交饋電網(wǎng)絡(luò)的中心連接同軸探針，且每個臂上均加有一個開關(guān)，分別定義為k1,k2,k3和k4。地板面積為2.1λ0×2.1λ0，此處的λ0表示自由空間波長。

為了能夠更為精確地模擬實(shí)際開關(guān)，該研究使用了真實(shí)開關(guān)的等效集總參數(shù)模型值，根據(jù)MA4GP905二極管的詳細(xì)參數(shù)表我們可以查到，二極管導(dǎo)通時相當(dāng)于一個Rload=3Ω的小電阻，斷開時相當(dāng)于一個Cload=0.025pF的小電容。通過控制這些開關(guān)的導(dǎo)通與截止，可以得到四中不同的輻射方向圖。當(dāng)k1導(dǎo)通，其他開關(guān)斷開時，定義為狀態(tài)I,依此類推，可以得到狀態(tài)II,III和狀態(tài)VI。

2.2 仿真結(jié)果

該天線使用三維高頻電磁仿真軟件HFSS10.0進(jìn)行仿真。狀態(tài)I和狀態(tài)II的仿真回波損耗如圖2所示。從圖中可以看出，該提出的天線工作在兩個頻率,分別為f=10.8GHz和f=13.5GHz。

圖2 回波損耗曲線

圖3和圖4分別給出了狀態(tài)I和狀態(tài)II在兩個諧振頻率的仿真E面輻射方向圖。由輻射方向圖可以看出，通過對開關(guān)狀態(tài)的調(diào)節(jié)，可以得到不同的輻射方向圖。由于對稱性，這里就不給出狀態(tài)III和狀態(tài)VI的輻射方向圖了。

(a)狀態(tài)I

(a)狀態(tài)II圖3 天線在f=10.8GHz狀態(tài)I和狀態(tài)II的仿真輻射方向圖

(a)狀態(tài)I

(b)狀態(tài)II

圖4 天線在f=13.5GHz狀態(tài)I和狀態(tài)II的仿真輻射方向圖

3 可重構(gòu)相控陣研究

該陣列由上面給出的可重構(gòu)單元組成,為了避免柵瓣的出現(xiàn)和盡量減少天線單元之間的互耦，本文采用非均勻的布陣方式進(jìn)行組陣，也就是稀布陣排列[6-7]，三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。該陣列由12個單元組成(No.1~No.12)，沿x軸分布，間隔分別為d1~d11,各個單元位置由下面的公式可以計算出：

此處的

，n是指第n個單元,L是這個線性陣列的總的長度，我們?nèi)=8λ0,當(dāng)每個單元加上激勵相位時，陣列能夠?qū)崿F(xiàn)主瓣掃描，所加的激勵相位為

θ0代表陣列輻射方向圖的主瓣方向。我們假定每個可重構(gòu)天線單元的狀態(tài)都一致，取狀態(tài)I。

圖6給出了該相控陣前六個激勵端口的仿真回波損耗和和前七個天線的相鄰單元的耦合系數(shù)曲線?？梢钥闯?，各個端口匹配良好，且互耦隨著間隔的增大而較小。

圖6 (a)每個端口回波損耗和

圖6 (b)相鄰二端口的互耦

由于輻射方向圖在同一開關(guān)狀態(tài)下的兩個諧振點(diǎn)的方向圖基本對稱，這里僅給出了該相控陣工作在狀態(tài)I且頻率為f=10.8GHz的輻射方向圖。從該方向圖可以看出，該相控陣工作在狀態(tài)I且f=10.8GHz時能從-84o掃描到0o，根據(jù)對稱性，如果該天線工作在該狀態(tài)且f=13.5GHz時，則該相控陣能夠?qū)崿F(xiàn)從0o掃描到84o。同理，如果每個天線單元均取狀態(tài)II的話則在f=10.8GHz時能夠從0o掃描到84o，在f=13.5GHz時能夠從-84o掃描到0o，也就是說，通過重構(gòu)開關(guān)狀態(tài)或者變化工作頻率，該相控陣都能夠?qū)崿F(xiàn)從-84o掃描到84o的掃描，相對于普通的相控陣而言，該陣列極大地拓展了掃描范圍。

圖7 該相控陣隨著主瓣方向變化的輻射方向圖

4 結(jié)論

本文提出了一種雙頻新型介質(zhì)諧振方向圖可重構(gòu)天線單元，通過重構(gòu)天線饋電網(wǎng)絡(luò)上的開關(guān)狀態(tài)，該天線能夠?qū)崿F(xiàn)在每個諧振頻點(diǎn)上能夠重構(gòu)四個不同的輻射方向圖。同時，本文應(yīng)用該天線單元組成了性能優(yōu)良的稀布相控陣，通過重構(gòu)開關(guān)狀態(tài)，該相控陣的E面方向圖的3dB波束帶寬基本能實(shí)現(xiàn)θ=-90o 到 90o的掃描。