寄生切角極化可重構(gòu)微帶貼片天線

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(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種無(wú)線通信系統(tǒng)。而且，線極化微帶天線通過(guò)引入附加的微擾單元很容易產(chǎn)生圓極化輻射。最近極化可切換的極化可重構(gòu)微帶天線引起了極大的關(guān)注。這類天線在無(wú)線通信系統(tǒng)多系統(tǒng)工作、頻率復(fù)用和克服信號(hào)多徑衰落等方面非常有效。其中，多數(shù)設(shè)計(jì)都是在輻射貼片和附加微擾單元之間直接加入PIN開(kāi)關(guān)二極管或場(chǎng)效應(yīng)管等開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)開(kāi)關(guān)器件來(lái)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(gòu)微帶貼片天線設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)采用微擾法實(shí)現(xiàn)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(gòu)微帶貼片天線由于其自身特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，省去了多數(shù)極化可重構(gòu)天線中用到的防止直流信號(hào)進(jìn)入射頻通路的隔直電容。

2 天線結(jié)構(gòu)

本文提出的微帶貼片極化可重構(gòu)天線，通過(guò)引入寄生切角作為微擾單元實(shí)現(xiàn)圓極化，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線4個(gè)寄生切角結(jié)構(gòu)完全相同，切角與主輻射貼片的間隙很小。這些切角通過(guò)PIN開(kāi)關(guān)二極管與接地過(guò)孔和地板相連。開(kāi)關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，寄生切角等效為并聯(lián)電容，呈現(xiàn)容性；而當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，寄生切角等效為電感，呈現(xiàn)感性。

通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)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(lì)起兩個(gè)幅度相等、相位相差±90°的正交工作，從而實(shí)現(xiàn)圓極化輻射特性。改變PIN開(kāi)關(guān)二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以使得這兩個(gè)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(lái)產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)RF與直流隔離作用，因此省去了多數(shù)設(shè)計(jì)中用到的隔直電容。

為了向PIN開(kāi)關(guān)二極管提供直流偏置電壓，從4個(gè)寄生切角引出4條直流偏置引線。為減小直流引線對(duì)天線的影響，在引線離寄生切角1/4工作波長(zhǎng)處通過(guò)大電容C₁、C₂、C₃和C₄接地，如圖1所示。對(duì)天線工作頻率來(lái)說(shuō)，在引線的1/4工作波長(zhǎng)處近似短路，經(jīng)過(guò)1/4波長(zhǎng)阻抗變換，引線在與寄生切角相接的位置近似開(kāi)路，從而能夠近似忽略引線的影響。此外，天線采用微帶側(cè)饋方式饋電，并通過(guò)阻抗變換線，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。