关于可重构天线的频率可重构功能验证分析和研究

本文提出了一种新型的混合可重构圆极化天线，该天线在可以分别实现频率可重构与极化方式可重构。本文主要对其频率可重构性能进行了验证。其频率可重构是通过搭接在中央贴片与外围方形贴片的4个变容二极管控制的，可以在S波段实现频率可重构。除去仿真验证外，本文还采用了ZNB8矢量网络分析仪对其频率可重构性能进行了带电测试验证，证明了其频率可重构功能。

Abstract: In this paper, a novel hybrid reconfigurable circularly polarized antenna is proposed, which can be reconstructed in frequency reconfigurable and polarized manner, respectively. This paper also verifies the frequency reconfigurable performance. The frequency reconfiguration is controlled by the four varactor diodes attached to the central patch and the peripheral square patch, enabling frequency reconfiguration in the S-band. In addition, the ZNB8 vector network analyzer is used to verify the frequency reconfigurable performance, and its frequency reconfigurable function is proved. 

Key words: Reconfigurable antenna; frequency reconfigurable; live test verification; ZNB8

1. 引言

可重构天线当下能够细分为频率可重构，极化方式可重构，辐射方向图可重构和混合方式可重构这四大基本种类[1]。其中，前3类天线可分别改变频率、极化方式和辐射方向图中的一项参数，并使另外两项参数基本保持不变。而混合方式可重构天线对这3项参数具有独立调节能力，但由于技术的不成熟性，其设计难度较高。

天线可重构技术这一思想的提出可以追溯到上世纪80年代，Schaubert D等人在他们的发明中提出了频率可重构天线和极化方式可重构天线设计理念，开启了天线设计的新篇 章[2]。近年来，因为可重构天线与传统天线相比具有众多优势，所以其获得了许多新的发展，辐射方向图可重构天线被设计出来，混合可重构天线也有了初步的发展与设计。我国自开始建设北斗导航系统以来，也对可重构天线进行了一系列的研究，并设计出了一些能用于卫星终端的天线。

由于可重构天线具有许多传统模式天线无法比拟的优势，因此近年来这一类天线已经成为各国天线工程师的关注焦点，其功能越来越多，结构越来越新颖。

为了有效验证天线频率可重构性能，需要通过测试系统对其不同工作频率下的S11参数。本文采用了R&S公司的ZNB8矢量网络分析仪来精准测量可重构天线的S11参数。

2. 可重构天线设计

该节提出了一种频率极化混合可重构天线，实现了天线频率和极化独立可调。天线模型如图1 (a)所示，上层辐射贴片为方形贴片开槽与外环通过四个变容二极管（SMV1129-079LF）连接，该变容二极管可以在电压0 V-12 V内实现电容从2 pF到27 pF的变化，外环四周通过47 nH的电感与变容二极管的直流馈线相连；中心开十字槽，实现一定程度的小型化；天线由背面的功分器馈电，馈电网络为一个具有相位差可重构的威尔金森功分器构成，如图1 (b)所示，其中控制PIN二极管 (HSMS-2825) 开关通断情况实现天线馈电处两端口的相差的改变，从而做到极化重构。功分器的末端为了防止直流偏置对射频端口影响，添加了一个8 pF的隔直电容保护电路。上层天线位于一个介电为3，厚度为4.5 mm的基板上，中心辐射贴片为中心边长为22.3 mm的方形贴片中心开十字形槽缝 (长度为10 mm，宽度为0.5 mm)，通过变容二极管与中心贴片连接的是宽度为4 mm的方形金属框，之间的缝隙为1 mm。下层馈电网络位于厚度为1.5 mm，边长为105 mm的方形介质基板上。

图1 (a)天线俯视图 (b)功分器结构

天线的极化方式是由电压V1、V2、V3的大小来控制，当V3＞V2＞V1时，由于二极管具有正向导通、反向截至的特性，功分器左侧90°相移连接，右侧断开，从而使得两个端口相差为90°，反之V1＞V2＞V3相差-90°，从而实现两种圆极化的切换。

在V1＞V2＞V3情况下，天线为右旋圆极化，通过控制上层偏压，使变容二极管在2pF-10pF之间变化，天线谐振频率可以在2.38 GHz-2.5 0GHz变化，并且可以始终保持圆极化，天线的实物加工图如图2所示。

图2 实物加工图

3. 仿真与测量结果

本次主要通过R&S公司的ZNB8矢量网络分析仪来测试不同工作状态下的S11参数，验证设计天线的频率可重构性能。

在V1＞V2＞V3情况下，天线为右旋圆极化，通过控制上层偏压，使变容二极管在2pF-10pF之间变化，天线的S11仿真结果如图3所示，可以看出天线谐振频率在2.38 GHz-2.50 GHz变化，天线的轴比在谐振频率范围内始终小于3 dB。

图3 天线S(1,1) 参数仿真结果

ZNB8矢量网络分析仪可以在30 V的直流电压下对天线进行测试，因此可以用于加电测试本天线的频率可重构性能。

ZNB8矢量网络分析仪测试的天线在1.5V,3V,6V,9V,12V对应的工作状态如图4所示。不同电压对应的频率见表1。可以看出，天线在不同状态下可以在不同频率可重构。

图4 天线S(1,1)参数测量结果

表1 天线在不同电压下对应的频率

4. 结束语

通过仿真与实测的验证，对该混合可重构天线的频率可重构进行了验证，可以看出由于手工焊接以及连接线连接过程中对天线组装的影响。以及四个变容二极管的不一致性，导致天线谐振频率出现一定程度的偏移，但是仍可以看到随着直流偏置电压的变化下，天线谐振频率变化的趋势。ZNB8矢量网络分析仪在带电情况下依旧非常精准，在验证过程中起到了很重要的作用。