摘 要： 提出了一種新型頻率可重構圓極化微帶貼片天線的設計。采用一種方環(huán)形貼片結構，在貼片對稱縫隙中添加4個RF MEMS開關，通過調節(jié)開關的通斷來實現(xiàn)對天線頻率的可重構。同時天線采用4饋點饋電來實現(xiàn)右旋圓極化波,并利用仿真軟件HFSS 13.0對天線特性進行了仿真驗證。仿真結果表明，在開關斷開時，天線可接收GPS L1、GLONASS L1和BDS B1信號，在開關閉合時，天線可接收BDS B3信號，且天線的回波損耗和軸比都能滿足要求。
關鍵詞： 圓極化微帶天線；頻率可重構；諧振頻率；回波損耗
隨著現(xiàn)代衛(wèi)星導航和通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代無線通信、衛(wèi)星通信中的各種軍用和民用電子設備都朝著小型化[1]、寬頻帶[2-3]、高效率、易安裝的方向發(fā)展，可重構天線技術應運而生[4-5]。該技術通過在同一個天線上使用 PIN或 MEMS 開關動態(tài)改變其天線結構或尺寸，使其具有多個天線的功能[6-7]。
目前，微帶天線的頻率可重構實現(xiàn)方法有很多。參考文獻[8-11]雖然都是頻率重構的微帶天線，但都不是圓極化微帶天線的頻率可重構。參考文獻[12]通過在接地板上開槽實現(xiàn)了頻率可調的圓極化天線。
本文設計了一種頻率可重構圓極化貼片天線，在不改變饋電點的情況下，利用電控開關改變方環(huán)形寄生單元與貼片連接狀態(tài)，實現(xiàn)頻率的轉換。與參考文獻[8-11]頻率可重構微帶天線相比，該天線是頻率可重構的圓極化微帶天線，可接收衛(wèi)星導航信號，并且此結構具有尺寸小、剖面低、結構簡單、便于開關的加載等特點。
1 可重構天線的設計
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圍附加一方環(huán)形寄生貼片的方法，當主輻射貼片在某一頻率諧振時，通過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是通過控制主貼片和寄生貼片的通斷來改變天線的結構關系。
圖1為本文設計的可重構天線的結構，天線是由方形主貼片和一個方環(huán)形寄生貼片組成，相當于在方形貼片上挖出了一個方環(huán)形縫隙。天線的具體尺寸為：介質板選用相對介電常數(shù)?著r為9.6的微波復合介質，介質板厚度4 mm，尺寸為L×L=66 mm×66 mm；主輻射貼片尺寸為L2×L2=30.55 mm×30.55 mm；寄生貼片尺寸為L1×L1=36.4 mm×36.4 mm；縫隙的寬度均為W=1.225 mm；天線采用四饋點實現(xiàn)圓極化，饋點在離原點10.5 mm的位置。同時控制開關1、2、3、4即可實現(xiàn)頻率的可重構。
饋電網(wǎng)絡是由3個威爾金森功率分配器構成的，饋電網(wǎng)絡的地面與天線的地貼在一起，通過4個50 Ω底饋探針對貼片饋電，饋電網(wǎng)絡設計如圖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輸出端經(jīng)過1/2波長相移180°接到離4、5端口近的功率分配器，另一個輸出端不相移；另外兩個功率分配器都是一個輸出端口經(jīng)過1/4波長相移，另外一個輸出端不相移。這樣，4個輸出端的輸出就是幅度相等、相位依次相差90°，即0°、-90°、-180°、-270°，天線即可實現(xiàn)右旋圓極化波。每個威爾金森功率分配器在兩個輸出端之間還需要一個100 Ω的隔離電阻。饋電網(wǎng)絡的介質板采用厚度為0.8 mm、尺寸為66 mm×66 mm、相對介電常數(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對天線進行仿真，為了方便仿真，將RF MEMS開關理性等效，即開關閉合時用金屬片代替，開關斷開時等效為斷路。當開關斷開時，天線仿真結果如圖3所示；當開關閉合時，天線仿真結果如圖4所示。
從圖3可以看出，當開關斷開時，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；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,開關閉合時天線接收BDS B3(1 268±10 MHz)信號；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提高增益就可以達到衛(wèi)星導航系統(tǒng)天線的要求。
本文設計了一種頻率可重構的圓極化微帶天線，采用RF MEMS開關控制，使天線工作在不同的頻段，即同一個天線可接收GPS信號也可接收北斗二代信號，不僅降低了成本也節(jié)約了空間。
參考文獻
[1] 傅世強，王強，李嬋娟. 一種易調諧的小型GPS微帶天線設計[J].電子技術應用,2012,38(11):116-118.
[2] 胡少文，吳毅強，羅斌，等. 一種新型的超寬帶天線的研究[J].電子技術應用,2013,39(1):90-92.
[3] 陳建軍，宋學瑞，曹宏徙. 寬頻帶高增益RFID微帶天線陣設計[J]. 微型機與應用,2012,31(10):58-60, 64.
[4] 鐘順時. 微帶天線理論與應用[M]. 西安:西安電子科技大學出版社,1991.
[5] 楊雪松, 王秉中. 可重構天線的研究進展[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術, 2003,25(4):417-421.
[6] 肖紹球,王秉中.微帶可重構天線的初步探討[J]. 電波科學學報,2002,17(4):386-417.
[7] 王安國, 張佳杰, 王鵬，等.可重構天線的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 電波科學學報,2008,23(5):997-1008.
[8] 李浩,冷文,王安國,等. 一種小型化頻率可重構微帶天線的設計[J]. 電子測量技術,2013,36(10):119-122.
[9] 魏文博, 尹應增,郭景麗，等. 小型化微帶縫隙可重構天線[J]. 西安電子科技大學學報,2007,34(4):562-565.
[10] JHAMB K, LI L, RAMBABU K. Frequency adjustable microstrip annular ring patch antenna with multi-band characteristics[J]. IET Microw. Antennas Propag., 2011,5(12):1471-1478.
[11] MARTIN N, LAURENT P, PERSON C, et al. Patch antenna adjustable in frequency using liquid crystal[C]. 33rd European Microware Conference, Munich,2003:699-702.
[12] Huang Chihyu, Ling Chingwei. Frequency-adjustable circularly polarised dielectric resonator antenna with slotted ground plane[J]. Electronics Letters, 2003,39(14):1030-1031.