新型电控可重构天线阵全向单元设计

第 32 卷第 3 期 电 子 与 信 息 学 报 Vol.32No.3 2010 年 3 月 Journal of Electronics & Information Technology Mar.2010 新型电控可重构天线阵全向单元设计 吕 源①② 沈学民①② 刘会杰② 龚文斌② ①(中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083) ②(上海微小卫星 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中心 上海 200050) 摘 要：该文提出了一种性能良好的新型方向图可重构天线阵全向印刷单元天线。该天线由两对半波振子背靠背印 刷在介质板上构成，结构简单紧凑。相对带宽达 50%(VSWR<2)，在工作频带内，增益 6.44 dBi，不圆度小于 2.0 dB。文中给出了仿真设计结果和实测的电参数数据，两者有较好地一致性。本天线适用于 WiMax(802.16)终端及 WLAN 基站或中继站天线。 关键词：可重构天线；全向天线；宽频带；不圆度 中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：1009-5896(2010)03-0742-05 DOI:10.3724/SP.J.1146.2009.00198 A Novel Unit of Reconfigurable Antenna Array Lü Yuan①② Sheng Xue-min①② Liu Hui-jie② Gong Wen-bin② ①(Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China) ②(Shanghai Engineering Center for Microsatellites, Shanghai 200050, China) Abstract: A novel wideband omnidirectioanl planar antenna comprised two back-to-back dipoles printed on a dielectric substrate which use as unit of pattern reconfigurable antenna array is presented. The presented antenna shows a wide impedance bandwidth about 50% (VSWR<2), and a stable antenna gain level of about 6.44 dBi, with small variations( δ <2.0 dB) for omnidirectional radiation, is obtained across the used bandwidth. Details of antenna design and experimental results are proposed, and compared with excellent agreement. A constructed prototype is suitable for WiMax(802.16) application fixed and mobile solutions ,as well as base or relay stations for WLAN operation or mobile communications. Key words: Reconfigurable antenna; Omnidirectional antenna; Wideband; Gain variations 1 引言 以无线通信技术的飞速发展及各国对全球导航 卫星系统(GNSS)的纵深构建为时代背景，实现系统 抗干扰、大容量、多功能、超宽带工作为目标，使 得在同一平台上搭载的信息子系统数量成倍增加。 作为整个系统中信息出入的重要的射频前端器件， 天线数量增加必将引起整个系统抗干扰能力弱化、 RCS 增大、EMC 性能恶化、成本上升和重量增加 等一系列问题。因此迫切需要探索新一代复合天线 技术(分形、EBG、有源集成及智能优化等)，使每 副天线在满足小型化、多频段工作前提下，智能地 实现多项功能。如具备对覆盖范围性能自优化能力、 频率和极化方式自调整能力、方向图应变赋形能力、 空间功率最佳分配能力、区域波束增强和重定向能 力等。针对上述需求，可重构天线 [1 3]− 的研究已经 成为目前研究的热点，它是推动未来天线向同一物 2009-02-20 收到，2009-07-21 改回 上海市科委重大科技攻关项目(03DZ15009)资助课题 通信作者：吕源 lvyuanlv@hotmail.com 理口径实现功能多样化发展的重要技术。 用于卫星通信、移动通信终端的新型可重构阵 列中全向天线单元的性能优劣直接决定整个阵列的 工作带宽、极化纯度、增益水平等指标，并影响整 个阵列全程自动跟踪、波束扫描及复杂电磁环境下 系统高精度重定向跟踪功能。为适应此需求验证了 多种全向天线方案，圆柱面的贴片全向天线[4]，其不 圆度较好，但带宽较窄且造价高、结构复杂、实现 困难；各种新型的平板单极天线及其变种 [5 7]− ，虽 然阻抗带宽很宽，通过多点馈电不圆度也可以达到 要求，但是它的辐射仰角较低且增益过低，在仰角 90°的附近几乎没有辐射，不适合于山地通信及空 间立体通信[8]；以印刷偶极子或折合振子为单元的阵 列天线[9,10]，结构较为理想，但很难兼顾增益与带宽 的要求，若有匹配网络加载，在较高的工作频率时， 匹配网络的损耗也将难以忽略。以上各种形式天线 均无法同时满足通信中对中等增益与宽带的需要。 本文提出了一种新颖的特性良好的全向天线形 式，采用两对半波振子背靠背按轴线排列构成。同 更多技术文章，论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 第 3 期 吕 源等：新型电控可重构天线阵全向单元设计 743 时具有工作带宽宽、不圆度好、增益较高、交叉极 化电平低且可以很容易地印刷、蚀刻在平面介质板 上，结构简单紧凑且造价低。与一般的偶极子阵列 天线相比，此天线不需要外部复杂的馈电网络，是 构成方向图可重构天线阵列理想单元，且可以单独 用于是车载台、船载台天线以及基站、中继站。下 文将具体给出天线的设计参数与仿真、实测的结果， 两者吻合很好。 2 天线设计与仿真 针对系统要求，应用印刷天线技术，设计全向 天线单元子阵其结构如图 1(a)所示。通过分析、仿 真、优化获取其性能参数变化规律，并以此为单元 沿共轴排列，最终构成本文所提出的可重构天线阵 的新型全向天线单元，结构如图 1(b)所示。我们以 此全向单元为 7 元环阵中心的有源单元，连接 RF 收发器，周边辅以一些无源寄生全向单元，通过 PIN 连接地板，改变其偏置状态，使无源单元在反射与 引向状态间快速切换，从而改变天线指向，实现可 重构阵列天线波束扫描、跟踪及重定向功能。 2.1 单元子阵设计与仿真 单元子阵是全向天线的重要组成部分，其形式 的选择至关重要。考虑到同轴共线天线，单、双锥 天线，缝隙天线，圆柱面共性阵列天线等体积大、 加工成本高的不足，而常规的微带天线又难以实现 较宽的频带，传统的贴片微带天线为谐振式天线， 带宽很窄(约 2%)，达不到要求，若采用行波式微带 天线，尽管带宽可以满足要求，但增益达不到要求； 多层微带结构、L 型探针耦合馈电结构和增加短路 钉的方法可以在一定程度上扩展频带，但结构上比 较复杂，增加了加工、调试的难度。本文提出了一 种新型全向印刷振子天线，采用等效为双导线模型 来对振子进行耦合馈电，将微波信号从微带线耦合 到振子贴片上，再由振子臂辐射到自由空间，其结 构如图 1 所示。该天线单元具有体积小、重量轻、 结构简单、性能稳定、损耗低的优点，相对于传统 的微带贴片天线，有着较宽的频带特性。 通过基于 FEM 的全波 3D 电磁仿真软件 HFSS 对其进行建模仿真、优化分析，发现合理设置子阵 两个齐平排列半波振子的间距 W，阵子臂宽度 w1,w2，介质板背面指数渐变线宽度 w3对其增益、相 对带宽、不圆度和最大辐射方向角度等电指标的优 劣有着显著影响。具体变化规律如图 2(a)-2(f)所示。 图 2(a)-2(c) 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，调整 W 对于 H 面方向图不 圆度 δ 影响最为敏感，可以获得比较理想的全向特 性，同时对子阵工作频率、带宽及最大辐射方向 mθ 也有一定影响，增益变化较为平缓；图 2(d)表明， 若 w1，w2过窄，特性阻抗就会增大，从而导致工作 频带变窄。通过增加 w1，w2，可以减小特性阻抗， 相当于加粗了振子的直径减小长细比Ω ，从而展宽 带宽。当 w2>w1时，形状变为蝶形结构，轴向特性 阻抗趋于稳定，可进一步展宽带宽，但 w1，w2过宽 时，电流衰减增大，整个子阵增益会下降。因此带 宽与增益是一对相互制约的矛盾量，应根据实际需 要权衡取舍。背面指数渐变线作用之一是用于分离 两个振子且为馈电网络微带线提供空间并与正面的 贴片构成双线耦合结构对振子馈电；其次结合天线 辐射体的外形尺寸，调整结构参数 w3，b 来改变分 布电容，实现宽频带工作。但是 w3过宽，会增加两 个振子辐射场的波程差而导致天线 H 面的全向特性 变差，不圆度 δ 增大，同时会对最大辐射方向、增 益、相对带宽及中心频率等电指标产生一些影响， 如图 2(e)-2(f)所示。 图 1 全向单元结构 更多技术文章，论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 744 电 子 与 信 息 学 报 第 32 卷 图 2 天线性能随 W，w1，w2，w3变化关系 综合多次仿真优化结果，最终确定单元子阵的 结构参数如表 1 所示( 0λ 是工作频率 0f 对应的自由 空间波长)。该单元子阵同时满足宽频带、中等增益、 低交叉极化和小不圆度 δ 的指标要求，仿真方向图 如图 3 所示，H 面不圆度 1 dB，最大辐射方向在 75mθ = D，增益为 4 dBi。 2.2 全向单元设计与仿真 天线的结构形式如图 1(b)所示，它是由 2.1 节 所述单元子阵共轴排列形成，忽略子阵间互耦，将 其等效为如图 4(a)所示2 2× 偶极子阵列。其方向图 函数为 2 ( sin cos ) ( cos ) cos( sin cos /2) ( , ) 2 1 (sin cos ) 1 1x zj kd j kd f e eθ ϕ θ π θ ϕθ ϕ θ ϕ = − ⋅ + ⋅ + (1) 式中 θ 为俯仰角，φ为方位角，dx 和 dz 分别为阵子 沿 x 轴和 z 轴的间距。通过数值计算发现，x 轴向间 距 dx(即 W)，z 轴向间距 dz (即 s)两个几何参数对天 线的增益、不圆度、带宽、最大辐射方向等电参数 有着显著的影响。图 4(b)，4(c)给出了 /2,xd λ= /6zd λ= 时等幅同相激励下的数值计算方向图， 1.3 dBδ = ， δ 的变化与 dz呈正比例关系。 因此，对图 1(b)所示天线建模，进行全波分析 优化，最终取定 1 00.24l l λ= = ， 00.025w g λ= = ， 00.013a λ= ， 0.075b λ= ， 00.24h λ= 其中 0λ 为中心 频率 0f 对应地自由空间波长，重点分析 W 和 s 两个 参数对全向单元性能影响。仿真表明，随着 W 增加， 天线增益提高，不圆度变差，最大辐射方向仰角变 小，当 00.175 W λ= 时结果最理想。图 5 表明，随 着阵元间距 s 增加，中心频率逐步下降，增益逐渐 提高，最大辐射方向仰角减小，相对带宽呈非线性 变化，当 00.2 s λ= 时各项性能指标最理想。另外还 可以通过改变 1l 的长度，对整个全向单元的增益、 输入阻抗进行优化微调，随着 2l 长度递减，最大辐 射方向仰角增大。 全向单元最终仿真结果如图 6 所示，不圆度良 好 2 dBδ < ，最大辐射方向 90θ = D，E，H 面交叉 极化电平分别低于-40 dB，-30 dB。 3 实测结果 在 2.7rε = ，厚度 00.13 t λ= 介质板上，依照 2.2 节所示结构参数双面印刷构成图 7 所示实验天 线。整个天线的馈电十分容易，在图 1 所示 A 点接 入一个 50 Ω的 SMA 接头即可。 天线增益 6.44 dBi,不圆度小于 2.0 dB，最大辐 射方向在 90θ = D，相对带宽高达 50%(VSWR<2)， 性能优于文献中提出的各种全向天线，同时满足宽 频带、中等增益，良好不圆度及最大辐射方向仰角 低等各项电指标，如图 8，图 9 所示。可以看出仿 真与实测结果吻合的很好，验证了上述设计的有效 性。 4 结果与讨论 本文所提出的这种平面偶极子阵天线，带宽宽 更多技术文章，论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 第 3 期 吕 源等：新型电控可重构天线阵全向单元设计 745 表 1 单元子阵结构参数 参数 l1 l W w1 w2 w3 a b h 尺寸/ 0λ 0.213 0.213 0.175 0.025 0.035 0.025 0.025 0.025 0.213 图 3 单元子阵仿真方向图 图 4 等效 2×2 偶极子阵方向图 图 5 天线性能随 s 变化的比较 图 6 全向单元仿真结果 图 7 实验天线实物照片 更多技术文章，论文请登录www.srvee.com 内容版权归作者所有 746 电 子 与 信 息 学 报 第 32 卷 图 8 仿真与实测驻波曲线 图 9 f0时仿真与实测方向图 达到 50%，增益为 6.44 dBi，方位面具有良好的全 向特性，不圆度<2.0 dB，且最大辐射方向仰角低 ( θ =90 D )。本天线是可重构阵列的理想全向有源单 元天线，适用于 WiMax(802.16)移动终端及 WLAN 系统中的车载台、船载台天线以及基站、中继站天 线，能够更好地满足山地通信以及空间立体通信的 需求。同样，本文也表明了优化调节的一些结构参 变量可以有效地控制天线在工作频带内的阻抗匹 配，波束的最大方向指向，不圆度，增益等电性能 的目的，使其适用于相邻波段相关应用。 参 考 文 献 [1] http://www.ESA.int.2008 [2] Baggen R and Martínez-Vázquez M. 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