李 媛，韓康康，李建蘭，葉春暉

(天津大學電子信息工程學院，天津 300072)

天線作為一種用來發(fā)射或接收無線電波的部件，在無線通信系統(tǒng)中起著至關重要的作用．隨著無線通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，對天線的要求越來越高．一方面要求天線具有寬頻帶、多功能、多業(yè)務融合等特點，另一方面又要求天線的體積小、質量輕、成本低．從而提出了可重構天線的概念并迅速得到發(fā)展．可重構天線的基本思想是共用同一個天線口徑，通過電控開關實時變換天線結構，并實時改變通用口徑中的電流分布，從而獲得所需要的天線特性．故每個可重構天線可等效為共用一個輻射單元的多副天線，使多天線的結構十分緊湊[1-2]．

近年來，國內外對可重構天線的研究已取得了很大進展，獲得了眾多研究成果[3-5]．如在實現(xiàn)方法上可通過改變天線單元的結構或是通過改變天線外部的饋電網(wǎng)絡使天線具有可重構的特性．這樣可以通過切換天線不同的狀態(tài)使天線具有多種工作模式，利用無線多徑信道的空間自由度提高系統(tǒng)容量與傳輸速率．因此，可重構天線作為一種新型天線在陣列天線中具有重要的應用價值，將成為下一代無線通信系統(tǒng)中的核心技術之一．

可重構天線按功能可分為頻率可重構、方向圖可重構、極化可重構和多參數(shù)可重構天線．極化可重構天線由于能增加獨立的收發(fā)信道而不增加天線體積，尤其適用于體積受限的移動終端，因此引起了越來越多的關注．圓極化天線由于不存在極化失配現(xiàn)象，更容易獲得相關性較低的平衡接收功率而呈現(xiàn)較大優(yōu)勢．一對左旋圓極化(left hand circular polarigation，LHCP)波和右旋圓極化(right hand circular polarigation，RHCP)波互為交叉極化，理想情況下一對互為交叉極化的波是互相隔離的，即用LHCP的天線是無法接收 RHCP來波的信號，反之亦然[6-7]．利用交叉極化隔離特性可在相同空間內設置兩個或兩個以上的獨立收發(fā)信道，可減小天線體積．因此，采用圓極化可重構天線能在相同體積下增加無線信號的收發(fā)通道，有利于后端空時信號處理，被認為是提高通信容量的有效方法[8-9]．而展寬圓極化天線頻帶寬度是提高其實用價值的關鍵，是實現(xiàn)天線寬頻帶和小型化的研究重點，針對這方面已開展了許多研究，但是在槽縫結構上多采用單一的矩形縫結構[10]．例如，Marc等[6]提出的雙饋電調諧短截棒結構，Yang等[11-12]設計的在矩形貼片上開兩個交叉的槽并在槽縫上添加開關結構，還有 Sung等[13]提出的在方形貼片上切角等方案均已經(jīng)實現(xiàn)了左右旋圓極化可重構的功能．之后，F(xiàn)ries[14]設計的一種帶有微擾的圓環(huán)縫隙結構的微帶天線實現(xiàn)了線極化和圓極化的多極化可重構．正是由于圓環(huán)縫隙結構在結構上的高度對稱性，使其匹配問題容易解決，且設計起來比較簡單[15]．

筆者采用圓環(huán)縫隙結構設計了左、右旋圓極化可重構天線，提出了在天線接地板上添加十字形槽拓展天線帶寬的方法，并證明這種方法在不顯著增加天線體積情況下，能使天線帶寬提高1倍．

1 圓環(huán)縫隙結構天線

圓環(huán)縫隙結構天線是圓極化天線的典型結構．下面對圓環(huán)縫隙結構(簡稱環(huán)縫結構，如圖 1所示)的頻率特性進行分析．環(huán)縫結構天線是一種微帶結構，基片的一面是接地板，上面開了一個環(huán)形縫隙，另一面用開路微帶線饋電，其坐標系如圖2所示．

圖1 用微帶線饋電的微帶環(huán)縫天線Fig.1 Ring slot antenna with microstrip feeder

圖2 圓環(huán)縫隙及其坐標系Fig.2 Ring slot and its coordinate

理論上，在無限大導電平板上的環(huán)形縫隙，可看成是面磁流的環(huán)形分布，可表示為

式中：Ea是口面電場；n是垂直于口面的單位矢量．環(huán)縫天線的遠場方向圖根據(jù)電矢量位法計算求得，假設接地面無限大，不考慮邊沿繞射場的影響，遠區(qū)電場的Eθ和Eφ分量可按兩種情況分別求出．

窄縫情況Ⅰ：即 ω ＜＜ω0，且Eφ′=0，Eρ= 常數(shù)=E0，則

近似求解縫隙內的場分布，等效為求解環(huán)形均勻分布磁流元的場分布．

窄 縫 情 況 Ⅱ ：即 ω ＜ ＜ ω0，且 Eφ′= 0 ，Eρ= E0?cosnφ ′ ，則

這樣當0φ′=和πφ′=時，環(huán)縫內的場主要集中分布在相應的兩個區(qū)域內．從式(4)和式(5)中可以看出，當01ak= 時，環(huán)縫天線工作在基模狀態(tài)．這時天線在垂直于環(huán)縫所在平面的方向上增益最大，即天線方向圖主瓣指向這一方向．隨著模式的增高，天線的表面波和高次模激勵將嚴重影響天線的軸比情況．如要獲得良好的軸比，在設計時要求天線工作在低階模式以及基模狀態(tài)．用HFSS仿真軟件對環(huán)縫天線進行仿真可知，環(huán)縫天線工作在基模狀態(tài)時，在其內半徑約等于一個波長時諧振，環(huán)縫半徑越大，基片尺寸越大，則工作頻率越低．

由式(4)和式(5)可知，環(huán)縫內場主要集中分布在φ′=0和φ′=π相應兩個區(qū)域內．研究表明在天線接地板相應區(qū)域的環(huán)縫上添加矩形槽或十字形槽(如圖3、圖 4所示)可以明顯改變天線輸入阻抗匹配狀況，顯著增加天線的帶寬．圖1中天線大小為32,mm×34,mm、基板厚度為0.8,mm、環(huán)縫內半徑 rb＝8.5,mm、環(huán)縫外半徑ra＝10.5,mm、圓環(huán)中心距饋電臂距離dl＝2,mm．圖 3在此基礎上加一個 2.0,mm的矩形槽，圖4是在圖 1的基礎上加一個槽寬為 1.5,mm十字形槽．用 HFSS軟件仿真對這 3種天線結構進行分析，得到 3種天線在 5,GHz附近的仿真 S11參數(shù)曲線，如圖5所示．

圖3 添加矩形槽的環(huán)縫天線結構Fig.3 Architecture of ring slot antenna with rectangular groove

圖4 添加十字形槽的環(huán)縫天線結構Fig.4 Architecture of ring slot antenna with cross groove

圖5 3種結構天線阻抗帶寬對比Fig.5 Comparison of impedance bandwidth of antenna of three kinds

通常認為實際測量中S11＜-10 dB的帶寬即為天線帶寬[16]．從圖 5中可看出，在環(huán)縫天線上添加矩形槽或十字形槽后，在較寬的頻率范圍內，天線輸入阻抗得到了比較理想的匹配，使天線帶寬顯著增加，相對阻抗帶寬從5%擴展到20%以上，提高了4倍．這兩種擴展天線帶寬的方法利用圓極化天線的交叉極化隔離特性，沒有增加天線體積，對饋電網(wǎng)絡也沒特殊的要求，有很強的可操作性．相比之下，添加十字形槽的天線頻率特性更好．

2 環(huán)縫結構可重構天線的設計與分析

為進一步說明添加十字形槽的方法對圓極化天線頻帶寬度的改善效果，設計了一個環(huán)縫結構的可重構天線，如圖6所示．

圖6 環(huán)縫結構的可重構天線結構示意Fig.6 Architecture of reconfigurable antenna with ring slot

對天線饋電網(wǎng)絡進行了精心的設計，將起到可重構作用的饋電部分設置在 100,Ω饋線上，減小電磁波反射；僅采用兩個與環(huán)縫耦合的饋電臂，盡最大可能減小可重構時多余的耦合部分．另外，采用倒角措施，避免了直角饋線處的反射等．圖 6中右端為特性阻抗為 50,Ω的中心饋線與激勵相連，序號 1～8為電控開關的位置，可用 MEMS開關實現(xiàn)．其工作方式為：通過 MEMS開關控制饋電部分“折線”和“直線”的切換，調整兩個饋電臂的長度使得兩個饋電臂上相應位置的電流幅值相等，一個饋電臂上電流相位超前或滯后另一饋電臂 90°，從而實現(xiàn)左、右旋圓極化的可重構．當開關 3、4、5、6打開，天線輻射右旋圓極化波；當開關 1、2、7、8打開，天線輻射左旋圓極化波．設計中的相關參數(shù)為：基片介電常數(shù)rε＝4.4；tanδ＝0.02；厚度 h＝0.8,mm；基片尺寸為 26,mm×24,mm；環(huán)縫內半徑 rb＝5.5,mm；環(huán)縫外半徑 ra＝7.5,mm；饋電臂長度 lt＝6.2,mm；圓環(huán)中心距饋電臂距離 dl＝1.8,mm；兩饋電臂長度差為 7,mm．計算得出相應的S11參數(shù)、軸比(AR)曲線為圖7和圖8中虛線所示，方向圖如圖9所示．

圖7 十字形槽天線與原始天線S11參數(shù)曲線對比Fig.7 Comparison of curves S11 between cross slot antenna and original antenna

圖8 十字形槽天線與原始天線的AR曲線對比Fig.8 Comparison of caves AR between cross slot antenna and original antenna

圖9 可重構天線的方向圖Fig.9 Pattern of reconfigurable antenna

為展寬頻帶，研究在圓極化可重構天線上添加十字形槽結構，在圖 6所示的環(huán)縫天線(環(huán)縫 2,mm)上添加寬度為 1.2,mm 的十字形槽(見圖 10)．通過對圖 10的結構進行測試，得出相應的 S11參數(shù)、AR曲線，如圖 7、圖 8中的實線所示．方向圖如圖11所示．從圖7、圖 8中可看出，未添加十字形槽之前，S11＜-15,dB的頻率范圍可從4.67,GHz到5.50,GHz，AR＜3,dB的范圍從4.75,GHz到5.20,GHz，天線相對帶寬在 8%以上，且其方向圖前后瓣是對稱的，這與天線結構相符．添加十字形槽之后天線的帶寬顯著增加，相對帶寬從 8%增加到 16%，提高了 1倍，明顯改善了天線頻率特性，提高了天線寬帶化、小型化的指標．從圖 9和圖 11中可看出天線方向圖增益也有所改善，從原來的-4.2,dB到2,dB，在添加十字形槽以后改善為-5.4,dB,到 3,dB．

圖10 添加十字形槽后天線示意Fig.10 Antenna with cross groove

圖11 添加十字形槽后天線方向圖Fig.11 Pattern of antenna with cross groove

3 天線試驗電路及測試分析

由于天線左、右旋圓極化結構是對稱的，其匹配問題比較容易解決．選擇用相對介電常數(shù)為 4.4、厚度為 0.8,mm的介質基板，按照圖 10所示結構，設計制作一個工作頻率為 5,GHz的 RHCP可重構天線(見圖 12和圖 13)．根據(jù)對稱性，此 RHCP結構同樣能反映出LHCP的主要特性．環(huán)縫內半徑rb＝5.5,mm，環(huán)縫外半徑ra＝7.5,mm，即環(huán)縫寬度為2,mm，十字形槽寬度為1.2,mm．圖14顯示了通過矢量網(wǎng)絡分析儀測試得出改進后的環(huán)縫天線的S11參數(shù)曲線圖與仿真所得的 S11參數(shù)比較結果，可以看出仿真與實測值基本吻合．改進后天線的方向圖如圖15所示，與圖9和圖11相比，圖15中的方向圖形狀略有變化，這是由于實物天線的接地面有限，并存在較強的邊沿繞射和環(huán)縫輻射，對主輻射方向圖有調制作用，產(chǎn)生少量擾動的結果．

圖12 添加十字形槽可重構天線實物接地面示意Fig.12 Grounding surface of cross slot reconfigurable antenna

圖13 添加十字形槽可重構天線實物饋線面Fig.13 Microstrip feeder surface of cross slot reconfigurable antenna

圖14 實測RHCP結構S11參數(shù)曲線Fig.14 S11 curves of RHCP structure

圖15 5.00 GHz處同極化與交叉極化的方向圖Fig.15 Pattern of copolarization and cross polarization in 5.00 GHz

實測的阻抗帶寬為 4.45～5.50,GHz，可見天線頻帶寬度的改善效果顯著．在 4.75～5.45,GHz范圍內，天線軸比均滿足要求，實測相對軸比帶寬為 14%．圖15為 5.0,GHz處同極化與交叉極化增益比較圖．利用交叉極化隔離特性能在相同空間內增加天線結構，減小了可重構天線體積，圖 12中與圓極化可重構天線對比的是一角硬幣，可以看出天線體積是相對較小的．

4 結 語

在改善圓極化可重構天線頻帶寬度的基礎上，研究了在環(huán)縫天線上添加矩形槽或十字形槽擴展天線帶寬的方法，并設計制作了一種基于圓環(huán)縫隙結構的右旋圓極化可重構天線，在天線接地板上添加了十字形槽．分別用HFSS軟件仿真和矢量網(wǎng)絡分析儀實測天線的頻率特性，通過比較天線頻率特性，其改善效果十分明顯，而且具有很強的可操作性．仿真和實測結果均證明了這種方法在不增加天線體積的情況下，能將天線頻帶寬度提高 1倍．如果通過附加反射板的方法，還能進一步提高天線增益．

［1］ 伍裕江，聶在平，樂鐵軍. 基于極化可重構天線的天線選擇方案[J]. 電子學報，2007，35(12)：2252-2257.Wu Yujiang，Nie Zeiping，Le Tiejun. Antenna selection scheme based on polarization reconfigurable antenna [J].Acta Electrical Sinica，2007，35(12)：2252-2257 (in Chinese).

［2］ Symeon Nikolaou，Ramanan Bairavasubramanian，Cesar Lugo Jr，et al. Pattern and frequency reconfigurable annular slot antenna using PIN diodes[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54(2)：439-448.

［3］ Wang Bingzhong，Xiao Shaoqiu，ZhangYong，et al. Researches on reconfigurable antenna in CEMLAB at UESTC[J]. Journal of Electronic Science and Technology of China，2006，4(3)：225-231.

［4］ 肖紹球，王秉中. 基于微遺傳算法的微帶可重構天線設計[J]. 電子科技大學學報，2004，33(2)：137-141.Xiao Shaoqiu，Wang Bingzhong. Reconfigurable microstrip antenna design based on microgenetic algorithm[J].Journal of UEST of China，2004，33(2)：137-141(in Chinese).

［5］ Yang Shing-Lung Steven，Luk Kwai-Man. A wideband lprobes fed circularly-polarized reconfigurable microstrip patch antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56(2)：581-584.

［6］ Marc Mowler，Bjom˙ Lindmark，Joachim˙ Oberhammer，et al. A 2-bit reconfigurable meander slot antenna with RF-MEMS switches[J]. Antennas and Propagation Society International Symposium，2005，2A：396-399.

［7］ Liu Sunan，Ming-Jer Lee，Chang won Jung，et al. A frequency-reconfigurable circularly polarized patch antennaby Integrating MEMS switches[J]. Antennas and Propagation Society International Symposium，2005，2A：413-416.

［8］ Marzetta T L，Hochwald B M. Capacity of a mobile multiple-antenna communication link in rayleigh flat fading[J]. IEEE Trans Inform Theory，1999，45(1)：139-157.

［9］ Jin Nanbo，Yang Fan，Rahmat-Samii Yahya. A novel patch antenna with switchable slot(PASS)：Dual-frequency operation with reversed circular polarizations [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54(3)：1031-1034.

［10］ 魏文博，尹應增，郭景麗. 小型化微帶縫隙可重構天線[J]. 西安電子科技大學學報：自然科學版，2007，34(4)：562-565.Wei Wenbo，Yin Yingzeng，Guo Jingli. Design of a miniaturized frequency reconfigurable microstrip slot antenna[J]. Journal of Xidian University：Natural Science，2007，34(4)：562-565(in Chinese).

［11］ Yang Fan，Rahmat-Samii Yahya. A reconfigurable patch antenna using switchable slots for circular polarization diversity[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2002，12(3)：96-98.

［12］ Yang Fan，Rahmat-Samii Yahya. Patch antennas with switchable slots (PASS) in wireless communications:Concepts，designs，and applications[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine，2005，47(2)：13-29.

［13］ Sung Y J，Jang T U，Kim Y S. A reconfigurable microstrip antenna for switchable polarization[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2004，14(11)：534-536.

［14］ Fries M K. A reconfigurable slot antenna with switchable polarization[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2003，13(11)：490-492.

［15］ Kim Boyon，Pan Bo，Nikolaou Symeon，et al. A novel single-feed circular microstrip antenna with reconfigurable polarization capability[J]. IEEE Transactions on Aantennas and Propagation，2008，56(3)：630-638.

［16］ Hsu Shih-Hsun，Chang Kai. A novel reconfigurable microstrip antenna with switchable circular polarization [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2007，6：160-162.