戎君楠, 文舸一

(南京信息工程大學(xué)應(yīng)用電磁學(xué)研究中心， 江蘇南京 210044)

0 引言

圓極化天線在射頻識(shí)別、定位追蹤、電視廣播等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用[1-3]。常見的極化可重構(gòu)技術(shù)主要有兩種：一種是利用PIN二極管、MEMS等開關(guān)的通斷來(lái)重構(gòu)輻射天線的電流分布使天線極化狀態(tài)發(fā)生改變[4]；另一種是通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)或移相器對(duì)激勵(lì)進(jìn)行重構(gòu)，用不同的電流路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的極化方式[5]。至今為止，已有許多人對(duì)極化可重構(gòu)天線進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]在天線刻入X縫隙并加入PIN二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)線極化和圓極化之間的切換。文獻(xiàn)[7]使用E形貼片引入兩個(gè)對(duì)稱的PIN二極管實(shí)現(xiàn)圓極化天線的可重構(gòu)。文獻(xiàn)[8]應(yīng)用旋轉(zhuǎn)排列，將4個(gè)相同單元順時(shí)針依次旋轉(zhuǎn)90°作為一個(gè)整體，分別賦予相等幅值、相位分別為0°，90°，180°，270°的激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)右旋圓極化，并利用PIN二極管反轉(zhuǎn)激勵(lì)相位，實(shí)現(xiàn)右旋極化到左旋極化的可重構(gòu)。文獻(xiàn)[9]采用基片集成波導(dǎo)饋電，給兩個(gè)正交的集成波導(dǎo)端口賦予相等幅值相位相差90°的激勵(lì)實(shí)現(xiàn)極化方式的可重構(gòu)。文獻(xiàn)[10]使用相控陣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圓極化可重構(gòu)并擴(kuò)大掃描角度。

本文采用4個(gè)左旋單元依次旋轉(zhuǎn)組成一個(gè)左旋圓極化子陣，其可行性在文獻(xiàn)[11]中已有描述。再以該4單元子陣為單元組成16單元的微帶天線陣列。利用最大功率傳輸效率法(Method of Maximum Power Transmission Efficiency, MMPTE)將待設(shè)計(jì)的16單元陣列作為發(fā)射天線，在其遠(yuǎn)區(qū)波束形成方向引入極化控制接收天線，二者組成一個(gè)無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)(WPT)。通過(guò)優(yōu)化功率傳輸效率，可以使得待設(shè)計(jì)的陣列天線的極化方式與接收天線的極化方式相一致，并獲得陣列的最優(yōu)激勵(lì)分布，從而實(shí)現(xiàn)極化方式的可重構(gòu)和掃描功能。

1 極化可重構(gòu)天線陣列的設(shè)計(jì)

1.1 圓極化天線單元的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇普通的切角微帶貼片左旋圓極化天線作為天線單元。天線的邊長(zhǎng)L為18.76 mm，切角d大小為1.2 mm，饋電點(diǎn)位置a為5.98 mm，基板厚度為1.27 mm(50 mil)，基板材料為ROGERS3010(介電常數(shù)10.2，損耗正切0.003 5)。天線的具體尺寸參數(shù)如圖1(a)所示。單元的反射系數(shù)和軸比如圖2(a)、(b)所示，圖中顯示該左旋單元工作良好。為了實(shí)現(xiàn)左右旋圓極化的切換，將4個(gè)相同的左旋圓極化天線單元按照?qǐng)D1(b)的方式旋轉(zhuǎn)排列構(gòu)成子陣。以該子陣作為單元可構(gòu)成天線陣列。

圖1 天線單元及4單元陣列擺放示意圖

圖2 單元的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

圖3所示為含4個(gè)子陣的16單元陣列，其中構(gòu)成子陣的4個(gè)單元的間距為25 mm，子陣之間的間距為30 mm，整個(gè)基板的邊長(zhǎng)為157 mm，基板厚度是50 mil。

圖3 16單元可重構(gòu)天線陣列

1.2 最大功率傳輸效率法與測(cè)試接收天線

先簡(jiǎn)單介紹MMPTE的基本原理。該理論依據(jù)來(lái)源于如何使無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)中傳輸效率最大化的問(wèn)題[12-13]。至今，該理論已成功用于各種陣列天線的設(shè)計(jì)[14-17]。現(xiàn)以上述16單元陣列設(shè)計(jì)為例，簡(jiǎn)要概述MMPTE法的基本思想。如圖4所示，待設(shè)計(jì)的16單元陣列與置于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的接收天線構(gòu)成收發(fā)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)可用一個(gè)(16+1)×(16+1)散射矩陣表征如下：

(1)

式中：[at]=[a1,a2,…,an]T,[bt]=[b1,b2,…,bn]T,分別表示發(fā)射天線端口的歸一化入射波和反射波；[ar]=[an+1],[br]=[bn+1]分別表示接收天線端口的歸一化入射波與反射波(n=16)。發(fā)射天線陣列與接收天線之間的傳輸效率可用接收天線接收到的功率與發(fā)射陣列的輸出功率之間的比值Tarray來(lái)表示。

(2)

假設(shè)接收天線都匹配良好，那么[ar]=0，公式化簡(jiǎn)為

(3)

[A][at]=Tarray[at]

(4)

由上式可求得唯一的非零特征值，它代表最大傳輸效率Tarray，相對(duì)應(yīng)的特征向量即為待設(shè)計(jì)陣列的最優(yōu)激勵(lì)分布。值得指出的是，單元間的排列方式、互耦、天線周邊環(huán)境等因素都包含在散射參數(shù)中。因此上述過(guò)程可以用于設(shè)計(jì)復(fù)雜環(huán)境中的任意陣列。

圖4 MMPTE原理

當(dāng)設(shè)計(jì)的天線陣列與接收天線極化匹配時(shí)，傳輸效率會(huì)增加，而兩者極化失配時(shí)，傳輸效率會(huì)降低。因此，利用MMPTE法優(yōu)化傳輸效率并通過(guò)控制接收天線的極化特性，有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射陣列極化特性的控制。

本文研究如何用左旋單元構(gòu)成的陣列產(chǎn)生右旋波。選取右(左)旋切角微帶貼片天線為接收天線，并放置在發(fā)射天線陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。通過(guò)MMPTE法即可求得實(shí)現(xiàn)右(左)旋波最優(yōu)激勵(lì)分布。具體的方法是使用HFSS軟件模擬得到接收天線和發(fā)射陣列各個(gè)單元之間的散射參數(shù)，將得到的散射參數(shù)矩陣通過(guò)MMPTE法計(jì)算可得到每個(gè)端口的最優(yōu)激勵(lì)分布。改變接收天線的極化特性和接收位置，可得到不同角度不同極化方式的激勵(lì)分布。通過(guò)上述方法得到實(shí)際測(cè)試時(shí)需要的激勵(lì)的幅值和相位分布，通過(guò)移相器將對(duì)應(yīng)的激勵(lì)代入各個(gè)端口即可完成測(cè)量的準(zhǔn)備工作。接收天線位于YOZ面0°，YOZ面-30°及YOZ面-60°的最優(yōu)激勵(lì)分布如表1～3所示。

表1 0°激勵(lì)分布

表2 -30°激勵(lì)分布

表3 -60°激勵(lì)分布

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

圖5為16單元左右旋極化可重構(gòu)天線的實(shí)物圖。圖6是組成16單元陣列的反射系數(shù)圖，天線單元在組成16單元陣列時(shí)，反射系數(shù)的變化很小，整個(gè)陣列也能匹配良好。

圖5 16單元天線陣列

圖6 16單元陣列的反射系數(shù)圖

圖7 沿+Z軸方向陣列產(chǎn)生左旋波的電場(chǎng)旋向分布

圖8 沿+Z軸方向陣列產(chǎn)生右旋波的電場(chǎng)旋向分布

圖9 陣列各角度產(chǎn)生左右旋圓極化軸比

圖9還分別給出了天線陣列的軸比。從圖中可知，左/右旋波束在偏-30°和-60°時(shí)軸比小于3 dB，仍然滿足工程設(shè)計(jì)要求。

圖10(a)～(c)和圖11(a)～(c)分別為波束指向0°，-30°，-60°在不同極化方式下的共極化和交叉極化的歸一化方向圖。測(cè)試方向圖時(shí)，使用不同的圓極化喇叭，得到陣列的共極化增益和交叉極化增益，可以看出仿真與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)基本吻合。左旋增益為11.4 dBi，右旋增益為10.5 dBi，二者之間的增益差小于1 dBi；而偏轉(zhuǎn)-30°時(shí)的左旋增益為10.8 dBi，右旋為9.9 dBi；偏轉(zhuǎn)-60°時(shí)左旋為8 dBi，右旋為7.4 dBi。無(wú)論波束指向什么方向，同一個(gè)天線陣列產(chǎn)生的左旋波增益比該陣列產(chǎn)生的右旋波增益均高不到1 dBi。產(chǎn)生差異的原因在于使用的天線單元為左旋單元。如果發(fā)射天線陣列采用右旋圓極化單元，那么產(chǎn)生的右旋波比左旋波增益也要高1 dBi左右。圓極化天線單元在合成與它極化特性相反的波束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生1 dBi內(nèi)的損耗。

(a) +Z方向左旋共極化和交叉極化歸一化方向圖

(b) 偏轉(zhuǎn)-30°左旋共極化和交叉極化歸一化方向圖

(c) 偏轉(zhuǎn)-60°方向左旋共極化和交叉極化歸一化方向圖圖10 陣列產(chǎn)生左旋波的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果圖

(a) +Z方向右旋共極化和交叉極化歸一化方向圖

(b) 偏轉(zhuǎn)-30°方向右旋共極化和交叉極化歸一化方向圖

(c) 偏轉(zhuǎn)-60°方向右旋共極化和交叉極化歸一化方向圖圖11 陣列產(chǎn)生右旋波的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果圖

以上結(jié)果表明，通過(guò)選擇接收天線極化方式，MMPTE法確實(shí)能有效控制陣列天線的極化，并能形成與天線單元極化相反的波束。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究如何利用MMPTE法，通過(guò)對(duì)接收天線的位置和極化特性的控制，獲得待設(shè)計(jì)陣列的最優(yōu)激勵(lì)分布，從而對(duì)陣列天線的掃描角度和極化方式進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)極化可重構(gòu)。本文以中心頻率為2.45 GHz的16單元陣列為例，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射陣列的波束掃描及極化可重構(gòu)功能。該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于電視直播，衛(wèi)星定位方面，這類應(yīng)用使用線極化天線時(shí)性能受天氣變化影響大，存在多徑反射干擾等問(wèn)題，使用圓極化天線則可有效提高傳輸?shù)男Ч，F(xiàn)階段的衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)均朝高頻方向發(fā)展，5 G頻段已成為研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)，該設(shè)計(jì)在頻率升高的情況下依然能有效保證工作性能。以上模擬與測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了MMPTE法同時(shí)控制波束掃描和極化特性的可行性。本文研究表明，在適當(dāng)?shù)膯卧帕邢?，左旋單元?gòu)成的陣列也可以產(chǎn)生右旋波。