三端口宽带极化可重构紧耦合天线阵列.pdf

射频微波与太赫兹Jun.,20232023年6 月RESEARCHI&PROGRESSOFSSEVol.43,No.3第3期第43卷子学研究与进展固体电三端口宽带极化可重构紧耦合天线阵列朱岑鑫段铸（南京信息工程大学，应用电磁学研究中心，南京，2 10 0 44）2022-09-26收稿，2 0 2 2-10-31收改稿摘要：提出了一种三端口宽带极化可重构紧耦合天线阵列。该阵列单元由蝶形偶极子、阻抗变换器和巴伦组成，通过最大功率传输效率法（MMPTE)优化出天线三个端口的所需最优激励分布，从而实现天线在左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)以及在方位角平面任意角度线极化(LP)多种辐射模式之间的切换。最终优化得到的阵列的尺寸为元6 0 mm30mm（元0.7 0.35入。=0.549 入。，其中入。为中心频率处的自由空间波长）。测试结果表明，该阵列在左右旋圆极化和线极化状态下的相对阻抗带宽（Sn一10 dB）都为50.7%，且3dB增益带宽基本能覆盖阻抗带宽。左右旋圆极化轴比小于3dB，并且轴比带宽（AR3dB)可以覆盖整个阻抗带宽。在3.5GHz处，阵列在各种极化状态下的最大实际增益均大于8.8 dBi。关键词：阵列天线；宽带；极化可重构；紧耦合；最大功率传输效率法中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：10 0 0-38 19(2 0 2 3)0 3-0 2 47-0 6A Broadband Polarization Reconfigurable TightlyCoupled Antenna ArrayZHU CenxinDUANZhu(Research Center of Applied Electromagnetics,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing,210044,CHN)Abstract:In this paper,a three-port broadband polarized reconfigurable tightly coupled antennaarray was proposed.The array element consisted of a butterfly dipole,impedance transformers andbaluns.The optimal excitation distribution for the three ports of the array was optimized through themethod of maximum power transmission efficiency(MMPTE),so as to change its polarization statesamong left-handed circular polarization(LHCP),right-handed circular polarization(RHCP)and arbi-trary linear polarizations(LP)in any azimuth directions.The total volume of the final optimized arraysize is X60 mmX30 mm(元X0.7X0.352。=0.549。,a mo n g w h i c h,入o is the free space wacelengthat the center frequency).The measured results show that the relative impedance bandwidth(JSnl-10 dB)of the array for both the left/right circular polarization and linear polarization states is50.7%,and the 3 dB gain bandwidth of the array can basically cover the impedance bandwidth.In ad-dition,the axial ratio of the left and right circular polarization is less than 3 dB,and the axial ratiobandwidth(AR3 dB)can cover the entire impedance bandwidth.The realized gain of the antenna invarious polarization states is greater than 8.8 dBi at 3.5 GHz.Key words:array antenna;broadband;polarization reconfigurable;tightly coupled;meth-od of maximum power transmission efficiency联系作者：E-mail:43卷248http:/GTDZ固体电子学研究与进展引言随着无线通信系统的飞速发展，可重构天线由于其在规避噪声干扰、增加信道容量和克服多径衰落等方面的优势而备受关注。如今，随着第五代（5G）移动通信开始与其他如4G、蓝牙、物联网（Io T）和无线局域网（WLAN）的无线网络共存，天线工作环境变得更加复杂，进一步推动了可重构天线的发展与研究工作。通常，极化可重构特性可以通过三种方法来实现。第一种是通过改变馈电端口的幅值和相位12。例如，文献1中采用了最大功率传输效率法3来确定激励分布，可以使天线在左右旋圆极化以及任意方位角的线极化之间进行切换，但其工作带宽较窄。第二种方法是在天线的内部结构中引人可调控的扰动段。如文献4通过调控在金属环内部的两个PIN二极管，使其能够在左右旋圆极化之间切换，但该天线无法切换为线极化模式。第三种方法是采用一个可开关控制的馈电网络，通过调控加载在馈电网络中的PIN二极管状态来实现。如文献5报道了一个超表面天线通过控制馈电网络中的七个PIN二极管可以使天线在左右旋圆极化、水平线极化和垂直线极化多种辐射模式下切换，但该天线无法实现稳定的定向辐射且馈电网络结构复杂。现有的阵列已能实现良好的极化可重构效果，但其带宽较窄，不适用于宽带的应用场景。近些年来，紧耦合结构在天线阵的带宽拓展上有着较为广泛的应用6-7。紧耦合阵列多采用偶极子作为阵元形式(8 11,通过将阵元紧密排列并适当加载耦合增强结构来实现阵列性能的提高，但此类阵列的尺寸一般都较大。为了解决上述问题，本文提出了一种宽带紧耦合天线阵列，并利用三个端口实现极化可重构。该阵列的单元由蝶形偶极子、渐变阻抗变换器和巴伦组成，通过在阵列单元之间引人矩形紧耦合结构，拓宽了阵列的阻抗带宽。此外，通过最大功率传输效率法确定了三个端口的激励分布，实现了在宽阻抗带宽范围内的极化可重构。阵列在各种极化状态下均具有50.7%的相对阻抗带宽，并且其3dB增益带宽基本能覆盖阻抗带宽。在3.5GHz处，阵列在各极化状态下的实际增益均大于8.8 dBi。1天线阵列设计1.1三端口极化可重构紧耦合阵列结构图1(a)展示了宽带极化可重构紧耦合阵列的结构，由蝶形偶极子、渐变阻抗变换器、渐变巴伦、圆形金属反射面和馈电探针组成。该阵列由三个相同的单元组成，并且三个单元均共形在同一个圆筒状介质板上。该介质板的材质为C-UV9400E，相对介电常数e=3,损耗角正切tan=0.05，半径ri=17.5mm,厚度t=0.8mm,高度h=30mm。半径rz=60mm的圆形金属反射面与圆筒状介质板同心放置，并紧贴介质板底部。图1(b)和图1(c)分别展示了阵列单元外表面和内表面的平面展开图。蝶形偶极子的宽边为W1，窄边为W2，总长为l/2，它的一臂连接渐变巴伦并一起印刷在介质板的外表面；另一臂连接末端宽为W的渐变阻抗变换器并一起印刷在介质板的内表面。介质板的内外表面均印刷了矩形紧耦合结构。两条短路条带都印刷在介质板的内表面，分别连接偶极子和紧耦合结构。阵列通过AnsoftHFSS16.1软件进行仿真设计，优化后的整体尺寸为元6 0 mm30mm（元0.7 0.35入。=0.549 入。，其中入。为中心频率处的自由空间波长），其结构参数如表1所示。ButterflydipolesZFeeding portsXYShort circuit stripsThe circular metal reflector(a)Tightly coupled partsWGradualBarronWImpedancetransformer(b)(c)图1宽带极化可重构紧耦合阵列结构：(a)阵列3-D视图；(b)阵列单元外表面平面图；(c)阵列单元内表面平面图Fig.1Structure of the wideband polarization reconfigurabletightly coupled array:(a)The 3-D view of the array;(b)Layout of the outer surface of the array element;(c)Layout of the inner surface of the array element表1阵列的结构参数(mm)Tab.1Structural parameters of the array(mm)Parameters1心23hdValues36.612.51.12.2300.5249朱岑鑫等宽带极化可重构紧耦合天线阵列3期1.2阵列极化可重构设计以如图2 所示的传输系统为例，它包含发射阵列（所设计的阵列）和极化控制接收天线。根据极化调控目标，接收天线可以有不同的极化形式，如圆极化天线和线极化天线。以图2 的圆极化接收天线为例，将整个收发系统视为一个4端口的网络。用下标“t表示发射阵列，下标“r表示接收天线，该系统可用S参数表示为6Su Sa(1)6St其中阵列和接收天线的归一化人射波和反射波分别为：a,=ai,a2,asJT(2)a.=a4b,=61,b2,b3T6.=64b,4(a)(b)(c)图2功率传输系统：(a)所提出的阵列;(b)线极化接收天线；(c）圆极化接收天线Fig.2 Power transmission system:(a)The proposed array;(b)LP receiving antenna;(c)CP receiving antenna系统的传输效率Taray定义为接收功率与发射阵列的输人功率之比。在接收天线完全匹配的情况下有.1=0,则传输效率可表示为：(Aa,a.)Taray(3)(Ba,a,)其中,矩阵A和矩阵B分别为：A=S,JS.(4)B=1-S.JS.在系统完全匹配下，传输效率可以取得最大值，则取极值的条件可表示为：Aa,=Tarrayat(5)其中，Taray对应矩阵A的广义特征值，a则为相应的特征向量。发射阵列与接收天线之间的最大功率传输效率对应式（5)的唯一非零特征值，相应的特征向量为最优激励。根据此方法计算出的最优激励分布保证发射端与接收端之间的功率传输效率最大。由MMPTE原理可知，两个极化相同的天线之间的功率传输效率只有两者极化匹配时才能达到最大化。因此，在发射阵列具有极化可重构可能性的物理前提下，由MMPTE计算出最优激励分布，可以保证发射阵列具有与接收天线相同的极化方式，从而将极化调控问题转化为了传输效率优化问题12。值得指出的是发射阵列必须具有极化可调控的物理基础。如果发射阵列本身不具备某种极化的物理可能性，那么即使按照MMPTE的方法在远场处放置了对应极化的接收天线，并计算出最优的幅值和相位，也无法通过该幅值和相位使发射阵列获得良好的极化效果。所设计的阵列采用蝶形偶极子作为天线单元，通常蝶形偶极子的极化方式较为单一。常规1X3紧耦合偶极子阵列如图3所示，若按照此排列，那么阵列在物理上便没有获得圆极化和任意方位角线极化的可能性。将偶极子成环形并首尾相连排列，既保证了所有单元都能满足紧耦合的条件，也通过改变单元的空间摆放位置使得单元能够提供多个方向的极化。通过MMPTE就能使得不同方向的极化合成为和接收天线对应的极化方式。这样，所设计的阵列在物理上就有了极化可重构的可能性。通过HFSS等仿真软件计算出接收天线和发射阵列各个单元之间的散射参数，即可将散射参数矩阵带人MMPTE中进行计算得出每个端口的幅值和相位。实际测试中，直接将阵列外接移相器即可对每个端口施加对应的激励。图3常规1X3紧耦合偶极子阵列Fig.3A conventional 1 X 3 tightly coupled dipole array1.3紧耦合阵列宽带及增益稳定设计为了分析紧耦合结构对阵列所起的作用，图4给出了未加载短路条带时，天线单元和天线阵列的反射系数。未加载短路条带时，天线单元的阻抗带宽（|S-10dB）为3.37 3.9 0 GHz、相对带宽为14.6%；而天线阵列工作在右旋圆极化时，阻抗带宽(SnK-10dB）为2.7 1 4.41GHz、相对带宽为47.7%。由此可见，通过紧耦合结构使得天线的阻抗带宽获得了提升图5给出了未加载短路条带天线阵列工作在右旋圆极化时的增益（GR），由图可见，天线阵列最大1525043卷固体电子学研究与进展http:增益为9.8 6 dBi，但增益在频率超过3.7 GHz后开始骤降，当频率为4.41GHz时天线增益仅为4.7 7 dBi，与最大实际增益相差超过5dB。这意味着天线阵列虽然拥有宽阻抗带宽，但其3dB增益带宽未能覆盖整个阻抗带宽。因此，在原有单元设计的基础上引人了两条短路条带。0The unit without short circuit stripsThe array without short circuit strips-5aP/sI-10-15-202.53.03.54.04.55.0f/GHz图4未加载短路条带时阵列单元与阵列的反射系数Fig.4ISnl of the unit and array without short circuit strips9630Without short circuit strips-32.53.03.54.04.55.0f/GHz图5未加载短路条带时阵列十乙方向的实际增益Fig.5 Realized gain in+Z direction of the array withoutshort circuit strips图6 给出了引入短路条带后，天线阵列工作在右旋圆极化时的反射系数和增益。由图可见，阵列的阻抗带宽为2.8 6 4.8 3GHz，相对带宽为51.2%015GR12-59-10163-200With shortcircuit strips-25-32.53.03.54.04.55.0f/GHz图6加载短路条带后阵列的Sul和十Z方向的实际增益Fig.6ISnl and realized gain in+Z direction of the array withshort circuit strips相较于未加载短路条带时，天线阵列的阻抗带宽进一步得到了拓宽。此外，阵列在十Z方向的增益在频率较高时未出现明显的骤降。3dB增益带宽为2.914.75GHz，相对带宽为48.1%，基本能覆盖阵列的阻抗带宽。通过引人两条短路条带不仅拓宽了阵列的阻抗带宽，更使得阵列在阻抗带宽内的实际增益变得更加稳定。2实验与测试结果为了验证设计的准确性，对天线阵列进行了加工和测试，实物如图7 所示。移相器由八端口幅相控制电路和电源组成。通过MMPTE获得的幅值和相位由电脑传输到移相器中，再通过移相器调控阵列三个端口的幅值和相位，完成所设计阵列的极化调控。下图仅展示了电脑、八端口数字移相器和待测阵列之间的连接情况，实际测试均在微波暗室中完成。Control computerEight-portamplitudeandphase controlcircuitTheproposed arrayPowersupply图7阵列实物图Fig.7Physical view of the array图8 给出了不同极化状态下天线阵列测试的反射系数。不同极化状态下阵列的阻抗带宽（ISil一10 dB)都大致相同，约为2.8 7 4.8 2 GHz，相对阻抗带宽约为50.7%0-Measured(0LP)-5-Measured(60LP)-Measured(LHCP)-Measured(RHCP)-102-15-20-252.53.03.54.04.55.0f/GHz图8不同极化状态下阵列的SulFig.8Snl of the array under different polarization state251朱岑鑫等：口宽带极化可重构紧耦合天线阵列3期图9 给出了不同极化状态下，天线阵列增益的测试结果，最大增益均超过9 dBi,此外，在不同极化状态下阵列的3dB相对增益带宽超过47.8%，基本能覆盖阵列的阻抗带宽。12918P/6Measured(OLP)Measured(60LP)3Measured(LHCP)Measured(RHCP)0-32.53.03.54.04.55.0f/GHz图9不同极化状态下阵列在十Z方向的实际增益Fig.9Realized gain in+Z direction of the array under differ-ent polarization state图10 给出了天线在左右旋圆极化状态下的轴比，由图可知，阵列在工作带宽内实测的轴比均小于3dB,其轴比带宽（AR3dB)可以覆盖整个阻抗带宽。2Measured(RHCP)Measured(LHCP)02.53.03.54.04.55.0f/GHz图10阵列在左右旋圆极化状态下的轴比Fig.10AR of the array under LHCP and RHCP图11给出了3.5GHz天线阵列工作在右旋圆极化状态下的辐射方向图，其仿真和实测的最大实际增益分别为9.4dBi和9.2 dBi，在XOZ和YOZ面的半功率波束宽度均为51，交叉极化均小于一30 dB。0101Simulated(RHCP)33030Simulated(LHCP)0Measured(RHCP)Measured(LHCP)-10-30060-20304027090-30-20A-10-240120010J210150180(a)0107Simulated(RHCP)33030Simulated(LHCP)0:Measured(RHCP)Measured(LHCP)-1030060-20-30-4027090-30-20-10240120021015010J180(b)图11阵列在3.5GHz时右旋圆极化状态下的辐射方向图：(a)XOZ面;(b)YOZ面Fig.11Radiation patterns of the array at 3.5 GHz underRHCP state:(a)XOZ plane;(b)YOZ plane图12 给出了天线阵列在3.5GHz、方位角=0 时，线极化状态下的辐射方向图，其仿真和实测的最大实际增益分别为9.0 dBi和8.8 dBi，在XOZ和YOZ面的半功率波束宽度分别为46 和6 8，交叉极化均小于一18 dBi。010Simulated(Co-polar)33030Simulated(Cross-polar)0Measured(Co-polar)Measured(Cross-polar)-10-30060-20-30-4027090-30-20-10-240120021015010J180(a)0107Simulated(Co-polar)33030Simulated(Cross-polar)0Measured(Co-polar)Measured(Cross-polar)-1030060-20-30-4027090-30-20-10240120021015010J180(b)图12阵列在3.5GHz、方位角9=0 时线极化状态下的辐射方向图：(a)XOZ面(E面);(b）Y O Z面(H面）Fig.12Radiation patterns of the array at 3.5 GHz under azi-muth =0LP state:(a)XOZ plane(E plane);(b)YOZ plane(H plane)25243卷固体电子学研究与进展http:/GTDZ3结 论设计了一种宽带极化可重构紧耦合天线阵列。阵列单元由蝶形偶极子、渐变阻抗变换器和巴伦结构组成，通过在阵列单元间引入矩形紧耦合结构拓宽了阵列的阻抗带宽。此外，通过引入短路条带使得阵列的实际增益更加稳定。不同极化状态下的最优激励分布基于最大功率传输效率法优化得到，并采用一个八端口幅相控制电路改变阵列三个端口的幅值和相位，从而实现极化可重构。实测结果表明，阵列能够在十乙方向定向辐射并可以实现左右旋圆极化和方位角平面任意角度线极化之间的切换。该阵列在不同极化状态下的阻抗带宽均能达到50.7%，3dB相对增益带宽约为47.8%，基本能覆盖阻抗带宽。在3.5GHz处，阵列在各种极化状态下能保持最大实际增益在8.8 dBi以上。参考文献1Wang S,Yang D,Wen G,et al.Polarization reconfigurable antenna using combination of circular polarizedmodesJ.IEEEAccess,2021,9:45622-45631.2戎君楠，文航一，一种新型圆极化可重构天线J.雷达科学与技术，2 0 2 1,19（4)：46 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