方向圖可重構天線(xiàn)及其相控陣研究

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信和雷達系統的不斷發(fā)展，使得同一平臺搭載的信息子系統數目增加，作為無(wú)線(xiàn)通信系統中信息出入必然通道的天線(xiàn)而言，其數量也相應增加，這樣非常不利于綜合系統的進(jìn)一步發(fā)展，結構緊湊的可重構天線(xiàn)具有改善這種不利局面的巨大潛力。另外，相控陣所能實(shí)現的波束電掃描能夠大大的拓展其應用范圍，目前典型的相控陣能掃描到的角度僅為-45o 到+45 o，綜合分析，造成相控陣的這種小角度掃描范圍主要由兩個(gè)因素導致，其一是天線(xiàn)本身的方向圖特性，其二是互耦的存在，因此，如何拓展相控陣的掃描范圍成為一個(gè)很熱門(mén)的研究熱點(diǎn)。從某種程度上而言，方向圖可重構天線(xiàn)的提出能夠解決這一問(wèn)題。

本文提出了一種雙頻方向圖可重構介質(zhì)諧振天線(xiàn)，該天線(xiàn)具有兩個(gè)諧振頻率，通過(guò)控制安裝在饋電網(wǎng)絡(luò )上的四個(gè)開(kāi)關(guān)，可以得到，每個(gè)諧振頻率對應四個(gè)不同的方向圖，從而實(shí)現重構;另外，對于同一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)而言，兩個(gè)諧振頻率所對應的方向圖相互對稱(chēng)。本文也提出了應用該重構天線(xiàn)單元組成的相控陣，該陣列采用稀布陣列的組陣方式。研究結果表明，相對于傳統相控陣而言，該相控陣具有較低的副瓣和較大的掃描范圍。

2 方向圖可重構介質(zhì)天線(xiàn)

2.1 天線(xiàn)結構

本文提出的可重構天線(xiàn)單元如圖1所示。

由一個(gè)挖掉內圓柱體的半球介質(zhì)諧振器和底部的正交饋電網(wǎng)絡(luò )構成，采用中心同軸饋電。

(a) 三維圖

(b) 底面圖

圖1 雙頻介質(zhì)方向圖可重構天線(xiàn)

該介質(zhì)諧振天線(xiàn)的相對介電常數為εr=6，半徑為R=7.2mm,內部挖掉的圓柱的半徑和高度分別為r=6.6mm和3.5mm,四個(gè)半徑和長(cháng)度分別為rpin=0.62mm和L=3.48mm金屬柱子分別固定在正交饋電網(wǎng)絡(luò )的末端上，正交饋電網(wǎng)絡(luò )的中心連接同軸探針，且每個(gè)臂上均加有一個(gè)開(kāi)關(guān)，分別定義為k1,k2,k3和k4。地板面積為2.1λ0×2.1λ0，此處的λ0表示自由空間波長(cháng)。

為了能夠更為精確地模擬實(shí)際開(kāi)關(guān)，該研究使用了真實(shí)開(kāi)關(guān)的等效集總參數模型值，根據MA4GP905二極管的詳細參數表我們可以查到，二極管導通時(shí)相當于一個(gè)Rload=3Ω的小電阻，斷開(kāi)時(shí)相當于一個(gè)Cload=0.025pF的小電容。通過(guò)控制這些開(kāi)關(guān)的導通與截止，可以得到四中不同的輻射方向圖。當k1導通，其他開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，定義為狀態(tài)I,依此類(lèi)推，可以得到狀態(tài)II,III和狀態(tài)VI。

2.2 仿真結果

該天線(xiàn)使用三維高頻電磁仿真軟件HFSS10.0進(jìn)行仿真。狀態(tài)I和狀態(tài)II的仿真回波損耗如圖2所示。從圖中可以看出，該提出的天線(xiàn)工作在兩個(gè)頻率,分別為f=10.8GHz和f=13.5GHz。

圖2 回波損耗曲線(xiàn)

圖3和圖4分別給出了狀態(tài)I和狀態(tài)II在兩個(gè)諧振頻率的仿真E面輻射方向圖。由輻射方向圖可以看出，通過(guò)對開(kāi)關(guān)狀態(tài)的調節，可以得到不同的輻射方向圖。由于對稱(chēng)性，這里就不給出狀態(tài)III和狀態(tài)VI的輻射方向圖了。

(a)狀態(tài)I

(a)狀態(tài)II圖3 天線(xiàn)在f=10.8GHz狀態(tài)I和狀態(tài)II的仿真輻射方向圖

(a)狀態(tài)I

(b)狀態(tài)II

圖4 天線(xiàn)在f=13.5GHz狀態(tài)I和狀態(tài)II的仿真輻射方向圖

3 可重構相控陣研究

該陣列由上面給出的可重構單元組成,為了避免柵瓣的出現和盡量減少天線(xiàn)單元之間的互耦，本文采用非均勻的布陣方式進(jìn)行組陣，也就是稀布陣排列[6-7]，三維結構如圖5所示。該陣列由12個(gè)單元組成(No.1~No.12)，沿x軸分布，間隔分別為d1~d11,各個(gè)單元位置由下面的公式可以計算出：

此處的

，n是指第n個(gè)單元,L是這個(gè)線(xiàn)性陣列的總的長(cháng)度，我們取L=8λ0,當每個(gè)單元加上激勵相位時(shí)，陣列能夠實(shí)現主瓣掃描，所加的激勵相位為

θ0代表陣列輻射方向圖的主瓣方向。我們假定每個(gè)可重構天線(xiàn)單元的狀態(tài)都一致，取狀態(tài)I。

圖6給出了該相控陣前六個(gè)激勵端口的仿真回波損耗和和前七個(gè)天線(xiàn)的相鄰單元的耦合系數曲線(xiàn)?？梢钥闯?，各個(gè)端口匹配良好，且互耦隨著(zhù)間隔的增大而較小。

圖6 (a)每個(gè)端口回波損耗和

圖6 (b)相鄰二端口的互耦

由于輻射方向圖在同一開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的兩個(gè)諧振點(diǎn)的方向圖基本對稱(chēng)，這里僅給出了該相控陣工作在狀態(tài)I且頻率為f=10.8GHz的輻射方向圖。從該方向圖可以看出，該相控陣工作在狀態(tài)I且f=10.8GHz時(shí)能從-84o掃描到0o，根據對稱(chēng)性，如果該天線(xiàn)工作在該狀態(tài)且f=13.5GHz時(shí)，則該相控陣能夠實(shí)現從0o掃描到84o。同理，如果每個(gè)天線(xiàn)單元均取狀態(tài)II的話(huà)則在f=10.8GHz時(shí)能夠從0o掃描到84o，在f=13.5GHz時(shí)能夠從-84o掃描到0o，也就是說(shuō)，通過(guò)重構開(kāi)關(guān)狀態(tài)或者變化工作頻率，該相控陣都能夠實(shí)現從-84o掃描到84o的掃描，相對于普通的相控陣而言，該陣列極大地拓展了掃描范圍。

圖7 該相控陣隨著(zhù)主瓣方向變化的輻射方向圖

4 結論

本文提出了一種雙頻新型介質(zhì)諧振方向圖可重構天線(xiàn)單元，通過(guò)重構天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò )上的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，該天線(xiàn)能夠實(shí)現在每個(gè)諧振頻點(diǎn)上能夠重構四個(gè)不同的輻射方向圖。同時(shí)，本文應用該天線(xiàn)單元組成了性能優(yōu)良的稀布相控陣，通過(guò)重構開(kāi)關(guān)狀態(tài)，該相控陣的E面方向圖的3dB波束帶寬基本能實(shí)現θ=-90o 到 90o的掃描。