方向图可重构天线及其相控阵研究

1 引言

随着无线通信和雷达系统的不断发展，使得同一平台搭载的信息子系统数目增加，作为无线通信系统中信息出入必然通道的天线而言，其数量也相应增加，这样非常不利于综合系统的进一步发展，结构紧凑的可重构天线具有改善这种不利局面的巨大潜力。另外，相控阵所能实现的波束电扫描能够大大的拓展其应用范围，目前典型的相控阵能扫描到的角度仅为-45o 到+45 o，综合分析，造成相控阵的这种小角度扫描范围主要由两个因素导致，其一是天线本身的方向图特性，其二是互耦的存在，因此，如何拓展相控阵的扫描范围成为一个很热门的研究热点。从某种程度上而言，方向图可重构天线的提出能够解决这一问题。

本文提出了一种双频方向图可重构介质谐振天线，该天线具有两个谐振频率，通过控制安装在馈电网络上的四个开关，可以得到，每个谐振频率对应四个不同的方向图，从而实现重构;另外，对于同一种开关状态而言，两个谐振频率所对应的方向图相互对称。本文也提出了应用该重构天线单元组成的相控阵，该阵列采用稀布阵列的组阵方式。研究结果表明，相对于传统相控阵而言，该相控阵具有较低的副瓣和较大的扫描范围。

2 方向图可重构介质天线

2.1 天线结构

本文提出的可重构天线单元如图1所示。

由一个挖掉内圆柱体的半球介质谐振器和底部的正交馈电网络构成，采用中心同轴馈电。

(a) 三维图

(b) 底面图

图1 双频介质方向图可重构天线

该介质谐振天线的相对介电常数为εr=6，半径为R=7.2mm,内部挖掉的圆柱的半径和高度分别为r=6.6mm和3.5mm,四个半径和长度分别为rpin=0.62mm和L=3.48mm金属柱子分别固定在正交馈电网络的末端上，正交馈电网络的中心连接同轴探针，且每个臂上均加有一个开关，分别定义为k1,k2,k3和k4。地板面积为2.1λ0×2.1λ0，此处的λ0表示自由空间波长。

为了能够更为精确地模拟实际开关，该研究使用了真实开关的等效集总参数模型值，根据MA4GP905二极管的详细参数表我们可以查到，二极管导通时相当于一个Rload=3Ω的小电阻，断开时相当于一个Cload=0.025pF的小电容。通过控制这些开关的导通与截止，可以得到四中不同的辐射方向图。当k1导通，其他开关断开时，定义为状态I,依此类推，可以得到状态II,III和状态VI。

2.2 仿真结果

该天线使用三维高频电磁仿真软件HFSS10.0进行仿真。状态I和状态II的仿真回波损耗如图2所示。从图中可以看出，该提出的天线工作在两个频率,分别为f=10.8GHz和f=13.5GHz。

图2 回波损耗曲线

图3和图4分别给出了状态I和状态II在两个谐振频率的仿真E面辐射方向图。由辐射方向图可以看出，通过对开关状态的调节，可以得到不同的辐射方向图。由于对称性，这里就不给出状态III和状态VI的辐射方向图了。

(a)状态I

(a)状态II[!--empirenews.page--]

图3 天线在f=10.8GHz状态I和状态II的仿真辐射方向图

(a)状态I

(b)状态II

图4 天线在f=13.5GHz状态I和状态II的仿真辐射方向图

3 可重构相控阵研究

该阵列由上面给出的可重构单元组成,为了避免栅瓣的出现和尽量减少天线单元之间的互耦，本文采用非均匀的布阵方式进行组阵，也就是稀布阵排列[6-7]，三维结构如图5所示。该阵列由12个单元组成(No.1~No.12)，沿x轴分布，间隔分别为d1~d11,各个单元位置由下面的公式可以计算出：

此处的

，n是指第n个单元,L是这个线性阵列的总的长度，我们取L=8λ0,当每个单元加上激励相位时，阵列能够实现主瓣扫描，所加的激励相位为

θ0代表阵列辐射方向图的主瓣方向。我们假定每个可重构天线单元的状态都一致，取状态I。

图6给出了该相控阵前六个激励端口的仿真回波损耗和和前七个天线的相邻单元的耦合系数曲线。可以看出，各个端口匹配良好，且互耦随着间隔的增大而较小。

图6 (a)每个端口回波损耗和

图6 (b)相邻二端口的互耦

由于辐射方向图在同一开关状态下的两个谐振点的方向图基本对称，这里仅给出了该相控阵工作在状态I且频率为f=10.8GHz的辐射方向图。从该方向图可以看出，该相控阵工作在状态I且f=10.8GHz时能从-84o扫描到0o，根据对称性，如果该天线工作在该状态且f=13.5GHz时，则该相控阵能够实现从0o扫描到84o。同理，如果每个天线单元均取状态II的话则在f=10.8GHz时能够从0o扫描到84o，在f=13.5GHz时能够从-84o扫描到0o，也就是说，通过重构开关状态或者变化工作频率，该相控阵都能够实现从-84o扫描到84o的扫描，相对于普通的相控阵而言，该阵列极大地拓展了扫描范围。

图7 该相控阵随着主瓣方向变化的辐射方向图

4 结论

本文提出了一种双频新型介质谐振方向图可重构天线单元，通过重构天线馈电网络上的开关状态，该天线能够实现在每个谐振频点上能够重构四个不同的辐射方向图。同时，本文应用该天线单元组成了性能优良的稀布相控阵，通过重构开关状态，该相控阵的E面方向图的3dB波束带宽基本能实现θ=-90o 到 90o的扫描。