微波学报 2010 年 8 月 左/右旋圆极化可重构微带天线 蒲洋 (中国电子科技集团公司第十研究所，成都 610036) 摘 要：设计了一种左/右旋圆极化可重构的微带天线在矩形微带贴片的两条边上增加枝节，贴片与枝节通过 PIN 二极管开关连接， 通过控制 PIN 二极管的通断来改变正交模式的相位差， 使天线在同一个馈电点上可实现左旋圆极化 （LHCP）和右旋圆极化（RHCP）的重构该天线在（2800±10）MHz 的频率范围内驻波比小于 2，轴比小于 3dB仿真结果与测试结果均验证了该方案的可行性 关键词：微带天线；圆极化可重构；PIN 二极管 A Reconfigurable Patch Antenna for Left/Right Hand Circular Polarization PU Yang (Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China) Abstract: In this paper, a microstrip patch antenna is proposed to achieve circular polarization diversity. Stubs are added around two sides of the rectangle patch and connected by PIN diodes. By turning the diodes on and off, the phase difference of two orthogonal modes is changed, which lead to the novel antenna can radiate with either left hand circular polarization (LHCP) or right hand circular polarization (RHCP) using the same feeding probe. The voltage standing wave ratio (VSWR) and axial ratio (AR) values are less than 2 and 3dB respectively in (2800±10)MHz frequency range. The simulated and measured results both validate the proposed design process. Key words：Microstrip antenna; circular polarization reconfigurable; PIN diode 引 言 随着现代雷达和通信系统的迅速发展，为实现 通信、导航、制导、警戒、武器寻的等需求，飞机、 舰船、卫星等所需的天线数量越来越多，这就使得 平台上的负载重量不断增加，而且搭建天线所需的 费用也不断上升，同时，各天线之间的电磁干扰也 非常大，严重影响系统的正常工作。
为了减轻武器 平台上负载的天线重量、降低成本、减小平台的雷 达散射截面、实现良好的电磁兼容等特性，希望采 用一个天线实现多个天线的功能[1]一种比较新颖 且有较大发展前途的技术——可重构天线技术应运 而生 可重构天线技术的研究旨在使天线能根据实际 需要实时重构天线的频率、方向图、极化等特性， 该技术通过在同一个天线或天线阵上使用 PIN 或 MEMS 开关动态改变其物理结构或尺寸，使其具有 多个天线的功能，相当于多个天线公用一个物理口 径[1] 可重构天线最早是由 D.Schaubert 等人于 1983 年在他们的专利“Frequency-Agile，Polarization Diverse Microstrip Antenna and Frequency Scanned Arrays”中报道，但与现代可重构天线的概念有很 大的不同1999 年，美国国防高级研究计划署 （DARPA）组织了十二家著名的大学、研究所和公 司， 制定实施了名为 “可重构孔径” (Reconfigurable Aperture Program(RECAP))的研究计划 其初步目 标是：探索在超宽带范围(带宽 1:10 左右)内，重 构天线辐射方向图的可行性[1]。
可重构天线按其可实现的功能一般分为四 类 ：（1）方向图、极化基本不变，但频率可以改 变的天线，能宽频带或多频带工作，称为频率可 重构天线； （2）频率、极化特性基本不变，方向 图可以改变的天线，能实现波束状态的重构，称 为方向图可重构天线； （3）频率和方向图基本不 变， 极化可以改变的天线， 称为极化可重构天线； （4）能同时对频率、方向图和极化重构的天线， 称为“万能（one-does-it-all） ”可重构天线这是 可重构天线的终极目标，但目前的研究状况尚不 理想 可重构天线技术是目前国际上天线研究的前 沿， 文献[2~5]展开了相关研究工作 通过对可重构 天线技术展开相关研究，将对现代无线通信技术 带来深远影响 本文针对极化可重构天线展开研究工作，利 用腔模理论，在沿对角线馈电的矩形微带天线两 条边上增加两个调谐枝节，使用 M/A-COM MA4GP905 PIN 二极管开关连接，两个开关的偏 置状态相反，即在同一时刻，一个开关导通，一181微波学报 2010 年 8 月 个开关断开，这就会影响天线上 TM10 模和 TM01 模的谐振频率，恰当地选择枝节的长度，可以使两 种模式的场幅度相同而相位相差 90°， 改变两个开 关的通断状态就可以实现左旋、右旋圆极化重构。
1 天线设计 图1为设计的极化可重构天线示意图， 基板采用 聚四氟乙烯（Teflon）材料，介电常数εr =2.65，厚 t=4mm 基 板 尺 寸 W2=68mm， 矩 形 贴 片 尺 寸 W1=28.3mm，馈电点距离中心位置d=4.5mm，枝节 长 L=8mm， 宽s=3mm，枝节距离 贴片的距 离 g=0.4mm，λ/4短路线长度经优化后为19.2mm长， 0.2mm宽 W2W1W1ddLsLsW2W2ViaViaλ/4 shorting lineλ/4 shorting lineSMAtggSW2SW1图 1 极化可重构天线示意图 天线的辐射机理可以用腔模理论来解释当普 通的矩形贴片天线沿对角线馈电时，在同一个频点 将同时激励起 TM10 模和 TM01 模由于 PIN 二极 管控制枝节上电流通断的影响，两个模式的谐振频 率同时改变从图 1 可以看出，水平方向的枝节只 影响 TM10 模，对 TM01 模则几乎没有影响，而垂 直方向的枝节则对 TM01 模有影响，对 TM10 模几 乎没有影响当开关 SW1 导通，同时开关 SW2 断 开时，TM10 模的电流可以从开关 SW1 通过，谐振 频率降低，而 TM01 模的电流不能通过开关 SW2， 则谐振频率相对升高。
因此，通过控制两个开关的 通断状态， 可以使 TM10 模和 TM01 模的频率不同， 其频率的差异主要与枝节的尺寸有关，如果恰当设 计二者的频率，在中心频率上，TM10 模和 TM01 模的辐射场幅度相同，相位差 90°，则可形成圆极 化辐射分析可知：当开关 SW1 导通，开关 SW2 断开时，形成右旋圆极化；当开关 SW1 断开，开关 SW2 导通时，形成左旋圆极化 为了控制 PIN 开关的通断，还必须设计恰当的 直流偏置电路如图 1 所示，枝节与λ/4 短路线相 连作为直流接地，对于射频信号，该短路线在与枝 节连接位置等效为开路，因此不会干扰射频信号控制电压通过与 SMA 接头连接的同轴电缆的提 供，即射频信号与直流信号在同一馈电传输线上 传输，从图 1 表示的二极管导通方向可以看出， 当提供正电压时，开关 SW1 断开，开关 SW2 导 通； 当提供负电压时， 开关 SW1 导通， 开关 SW2 断开通过该简洁的设计，即可实现期望的开关 切换要求 2 仿真与测试 利用 Ansoft HFSS 软件对设计的极化可重构 天线进行了仿真，为了模拟 PIN 管的等效电路参 数对天线的影响， 使用了 Lumped RLC 边界条件， 根据厂商提供的M/A-COM MA4GP905二极管参 数，当导通时，等效为 3Ω的电阻，当断开时， 等效为 0.025pF 的电容。
图 2 为模拟开关切换得到左旋和右旋圆极化 状态的驻波比，在（2800±10）MHz 范围满足驻 波比小于 2 的指标 2.702.752.802.852.9012345VSWRFreq. /GHzLHCPRHCP图 2 左/右旋状态的驻波比仿真值 图 3 为天线置于左旋状态的方向图和轴比， 此时的右旋圆极化方向图为交叉极化图 4 为天 线置于右旋状态的方向图和轴比，此时的左旋圆 极化方向图为交叉极化仿真结果验证了设计思 路，通过开关切换，可以改变天线的极化状态， 在（2800±10）MHz 的带宽内轴比小于 3dB，实 现左/右旋极化的重构 根据仿真数据制作了该极化可重构天线的原 理样机，如图 5 所示，并在微波暗室中进行了方 向图测试 图 6 为天线左/右旋状态的驻波比测试值， 可 见在（2800±10）MHz 带宽内驻波比小于 2图 7 为天线分别置于左/右旋状态时的接收电平和相 位，可以看出在（2800±10）MHz 带宽内轴比小 182微波学报 2010 年 8 月 -180-120-60060120180-40-30-20-10010Gain /dBtheta /degLHCPRHCP（a） 2.762.782.802.822.840246810AR /dBFreq. /GHzLHCP（b） 图 3 左旋状态的（a）方向图 2.8GHz； （b）轴比，此时的右旋圆极化方向图为交叉极化 -180-120-60060120180-40-30-20-10010Gain /dBtheta /degLHCPRHCP（a） 2.762.782.802.822.840246810AR /dBFreq. /GHzRHCP（b） 图 4 右旋状态的（a）方向图 2.8GHz； （b）轴比，此时的左旋圆极化方向图为交叉极化 于 3dB， 观察相位的翻转状态可知左/右旋极化状 态发生了重构。
图 8 为天线分别置于左/右旋状态 时的轴比方向图 图 5 左/右旋圆极化可重构天线原理样机 2.762.782.802.822.8412345VSWRFreq. /GHzLHCPRHCP图 6 左/右旋状态的驻波比测试值 2.792.802.81-54-51-48-45-42-39-36Signal level /dBFreq. /GHzLHCPRHCP（a）信号接收电平 2.792.802.81-180-120-60060120180Phase /degFreq. /GHzLHCPRHCP（b）相位 图 7 天线置于左/右旋状态时的接收电平和相位 183微波学报 2010 年 8 月 -90-60-300306090-15-10-50510Gain /dBtheta /deg2.79 GHz2.80 GHz2.81 GHzLHCP（a）LHCP 状态 -90-60-300306090-15-10-50510Gain /dBtheta /deg2.79 GHz2.80 GHz2.81 GHzRHCP（b）RHCP 状态 图 8 天线的轴比方向图 3 结 论 本文提出了一种左/右旋圆极化可重构天线， 在 矩形贴片天线的两边增加调谐枝节，利用 PIN 开关 导通或断开枝节实现极化的重构。
通过同轴线的内 导体给开关馈电，使用λ/4 短路线接地，既形成了直流回路，又不影响射频信号HFSS 仿真结果 和原。