摘  要： 提出了一種新型頻率可重構(gòu)圓極化微帶貼片天線(xiàn)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(xiàn)頻率的可重構(gòu)。同時(shí)天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)可接收GPS L1、GLONASS L1和BDS B1信號(hào)，在開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，天線(xiàn)可接收BDS B3信號(hào)，且天線(xiàn)的回波損耗和軸比都能滿(mǎn)足要求。
關(guān)鍵詞： 圓極化微帶天線(xiàn)；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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)上使用 PIN或 MEMS 開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)改變其天線(xiàn)結(jié)構(gòu)或尺寸，使其具有多個(gè)天線(xiàn)的功能[6-7]。
    目前，微帶天線(xiàn)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(xiàn)，但都不是圓極化微帶天線(xiàn)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(xiàn)。
　本文設(shè)計(jì)了一種頻率可重構(gòu)圓極化貼片天線(xiàn)，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(xiàn)相比，該天線(xiàn)是頻率可重構(gòu)的圓極化微帶天線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的結(jié)構(gòu)關(guān)系。
    圖1為本文設(shè)計(jì)的可重構(gòu)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)，天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的仿真分析
    采用電磁仿真軟件HFSS 13.0對(duì)天線(xiàn)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(xiàn)仿真結(jié)果如圖3所示；當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，采用RF MEMS開(kāi)關(guān)控制，使天線(xiàn)工作在不同的頻段，即同一個(gè)天線(xiàn)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。
參考文獻(xiàn)
[1] 傅世強(qiáng)，王強(qiáng)，李嬋娟. 一種易調(diào)諧的小型GPS微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(11):116-118.
[2] 胡少文，吳毅強(qiáng)，羅斌，等. 一種新型的超寬帶天線(xiàn)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(1):90-92.
[3] 陳建軍，宋學(xué)瑞，曹宏徙. 寬頻帶高增益RFID微帶天線(xiàn)陣設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用,2012,31(10):58-60, 64.
[4] 鐘順時(shí). 微帶天線(xiàn)理論與應(yīng)用[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1991.
[5] 楊雪松, 王秉中. 可重構(gòu)天線(xiàn)的研究進(jìn)展[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2003,25(4):417-421.
[6] 肖紹球,王秉中.微帶可重構(gòu)天線(xiàn)的初步探討[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2002,17(4):386-417.
[7] 王安國(guó), 張佳杰, 王鵬，等.可重構(gòu)天線(xiàn)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2008,23(5):997-1008.
[8] 李浩,冷文,王安國(guó),等. 一種小型化頻率可重構(gòu)微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)量技術(shù),2013,36(10):119-122.
[9] 魏文博, 尹應(yīng)增,郭景麗，等. 小型化微帶縫隙可重構(gòu)天線(xiàn)[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),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.