摘 要： 提出了一種新型頻率可重構(gòu)圓極化微帶貼片天線的設(shè)計(jì),。采用一種方環(huán)形貼片結(jié)構(gòu),，在貼片對(duì)稱(chēng)縫隙中添加4個(gè)RF MEMS開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線頻率的可重構(gòu),。同時(shí)天線采用4饋點(diǎn)饋電來(lái)實(shí)現(xiàn)右旋圓極化波,并利用仿真軟件HFSS 13.0對(duì)天線特性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,。仿真結(jié)果表明，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí),，天線可接收GPS L1,、GLONASS L1和BDS B1信號(hào)，在開(kāi)關(guān)閉合時(shí),，天線可接收BDS B3信號(hào),，且天線的回波損耗和軸比都能滿足要求。
關(guān)鍵詞： 圓極化微帶天線,；頻率可重構(gòu),；諧振頻率；回波損耗
隨著現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航和通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展,，現(xiàn)代無(wú)線通信,、衛(wèi)星通信中的各種軍用和民用電子設(shè)備都朝著小型化[1]、寬頻帶[2-3],、高效率,、易安裝的方向發(fā)展，可重構(gòu)天線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-5],。該技術(shù)通過(guò)在同一個(gè)天線上使用 PIN或 MEMS 開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)改變其天線結(jié)構(gòu)或尺寸,，使其具有多個(gè)天線的功能[6-7]。
目前,，微帶天線的頻率可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法有很多,。參考文獻(xiàn)[8-11]雖然都是頻率重構(gòu)的微帶天線，但都不是圓極化微帶天線的頻率可重構(gòu),。參考文獻(xiàn)[12]通過(guò)在接地板上開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)了頻率可調(diào)的圓極化天線,。
本文設(shè)計(jì)了一種頻率可重構(gòu)圓極化貼片天線，在不改變饋電點(diǎn)的情況下,，利用電控開(kāi)關(guān)改變方環(huán)形寄生單元與貼片連接狀態(tài),，實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。與參考文獻(xiàn)[8-11]頻率可重構(gòu)微帶天線相比，該天線是頻率可重構(gòu)的圓極化微帶天線,，可接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào),，并且此結(jié)構(gòu)具有尺寸小、剖面低,、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、便于開(kāi)關(guān)的加載等特點(diǎn)。
1 可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)
由于自身電磁特性的原因,，傳統(tǒng)的微帶貼片天線帶寬往往比較窄,， 拓展帶寬的一種方法就是附加寄生貼片[4]。本文采用在方形主輻射貼片周?chē)郊右环江h(huán)形寄生貼片的方法,，當(dāng)主輻射貼片在某一頻率諧振時(shí),，通過(guò)電磁耦合寄生貼片在主輻射貼片附近諧振，從而使天線帶寬明顯增加,。在本文中頻率的可重構(gòu)是通過(guò)控制主貼片和寄生貼片的通斷來(lái)改變天線的結(jié)構(gòu)關(guān)系,。
圖1為本文設(shè)計(jì)的可重構(gòu)天線的結(jié)構(gòu)，天線是由方形主貼片和一個(gè)方環(huán)形寄生貼片組成,，相當(dāng)于在方形貼片上挖出了一個(gè)方環(huán)形縫隙,。天線的具體尺寸為：介質(zhì)板選用相對(duì)介電常數(shù)?著r為9.6的微波復(fù)合介質(zhì)，介質(zhì)板厚度4 mm,，尺寸為L(zhǎng)×L=66 mm×66 mm,；主輻射貼片尺寸為L(zhǎng)2×L2=30.55 mm×30.55 mm；寄生貼片尺寸為L(zhǎng)1×L1=36.4 mm×36.4 mm,；縫隙的寬度均為W=1.225 mm,；天線采用四饋點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圓極化，饋點(diǎn)在離原點(diǎn)10.5 mm的位置,。同時(shí)控制開(kāi)關(guān)1,、2、3,、4即可實(shí)現(xiàn)頻率的可重構(gòu),。
饋電網(wǎng)絡(luò)是由3個(gè)威爾金森功率分配器構(gòu)成的，饋電網(wǎng)絡(luò)的地面與天線的地貼在一起,，通過(guò)4個(gè)50 Ω底饋探針對(duì)貼片饋電,，饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖2所示。1端口為輸入,，2,、3、4,、5端口為輸出,，離1端口近的功率分配器一個(gè)輸出端經(jīng)過(guò)1/2波長(zhǎng)相移180°接到離4,、5端口近的功率分配器，另一個(gè)輸出端不相移,；另外兩個(gè)功率分配器都是一個(gè)輸出端口經(jīng)過(guò)1/4波長(zhǎng)相移,，另外一個(gè)輸出端不相移。這樣,，4個(gè)輸出端的輸出就是幅度相等,、相位依次相差90°，即0°,、-90°,、-180°,、-270°,，天線即可實(shí)現(xiàn)右旋圓極化波。每個(gè)威爾金森功率分配器在兩個(gè)輸出端之間還需要一個(gè)100 Ω的隔離電阻,。饋電網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)板采用厚度為0.8 mm,、尺寸為66 mm×66 mm、相對(duì)介電常數(shù)為2.65的聚四氟乙烯玻璃布板,。
2 天線的仿真分析
采用電磁仿真軟件HFSS 13.0對(duì)天線進(jìn)行仿真,，為了方便仿真，將RF MEMS開(kāi)關(guān)理性等效,，即開(kāi)關(guān)閉合時(shí)用金屬片代替,，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)等效為斷路。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí),，天線仿真結(jié)果如圖3所示,；當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，天線仿真結(jié)果如圖4所示,。
從圖3可以看出,，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，天線接收GPS L1(1 5 75±5 MHz),、GLONASS L1(1 602±5 MHz)和BDS B1(1 561±2 MHz）信號(hào),；S參數(shù)均≤-10 dB，右旋圓極化軸比在天線上半空間內(nèi),，均小于5.0 dB,。
從圖4可以看出,開(kāi)關(guān)閉合時(shí)天線接收BDS B3(1 268±10 MHz)信號(hào)；S參數(shù)均≤-10 dB,，右旋圓極化軸比在天線上半空間-70°≤?茲≤70°內(nèi),，均小于5.0 dB。
由圖3,、圖4可以看出,，天線的S參數(shù)在很寬的頻帶范圍內(nèi)都小于-10 dB,，但在其他的頻段內(nèi)右旋圓極化軸比不能達(dá)到要求。天線增益由于功率分配器的分配而減小,，外接低噪聲放大器來(lái)提高增益就可以達(dá)到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)天線的要求,。
本文設(shè)計(jì)了一種頻率可重構(gòu)的圓極化微帶天線，采用RF MEMS開(kāi)關(guān)控制,，使天線工作在不同的頻段,，即同一個(gè)天線可接收GPS信號(hào)也可接收北斗二代信號(hào)，不僅降低了成本也節(jié)約了空間,。
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