方向图可重构天线及其相控阵研究

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                1  引言     

                         随着无线通信和雷达系统的不断发展，使得同一平台搭载的信息子系统数目增加，作为无线通信系统中信息出入必然通道的天线而言，其数量也相应增加，这样非常不利于综合系统的进一步发展，结构紧凑的可重构天线具有改善这种不利局面的巨大潜力。另外，相控阵所能实现的波束电扫描能够大大的拓展其应用范围，目前典型的相控阵能扫描到的角度仅为-45o 到+45 o，综合分析，造成相控阵的这种小角度扫描范围主要由两个因素导致，其一是天线本身的方向图特性，其二是互耦的存在，因此，如何拓展相控阵的扫描范围成为一个很热门的研究热点。从某种程度上而言，方向图可重构天线的提出能够解决这一问题。
                          
                         本文提出了一种双频方向图可重构介质谐振天线，该天线具有两个谐振频率，通过控制安装在馈电网络上的四个开关，可以得到，每个谐振频率对应四个不同的方向图，从而实现重构;另外，对于同一种开关状态而言，两个谐振频率所对应的方向图相互对称。本文也提出了应用该重构天线单元组成的相控阵，该阵列采用稀布阵列的组阵方式。研究结果表明，相对于传统相控阵而言，该相控阵具有较低的副瓣和较大的扫描范围。
                          
                        2  方向图可重构介质天线

                        2.1  天线结构

                         本文提出的可重构天线单元如图1所示。
                          
                         由一个挖掉内圆柱体的半球介质谐振器和底部的正交馈电网络构成，采用中心同轴馈电。
                          
       

               

       

                (a) 三维图

       

               

       

                (b) 底面图

       

                图1  双频介质方向图可重构天线

                          
                         该介质谐振天线的相对介电常数为εr=6，半径为R=7.2mm,内部挖掉的圆柱的半径和高度分别为r=6.6mm和3.5mm,四个半径和长度分别为rpin=0.62mm和L=3.48mm金属柱子分别固定在正交馈电网络的末端上，正交馈电网络的中心连接同轴探针，且每个臂上均加有一个开关，分别定义为k1,k2,k3和k4。地板面积为2.1λ0×2.1λ0，此处的λ0表示自由空间波长。
                 
                         为了能够更为精确地模拟实际开关，该研究使用了真实开关的等效集总参数模型值，根据MA4GP905二极管的详细参数表我们可以查到，二极管导通时相当于一个Rload=3Ω的小电阻，断开时相当于一个Cload=0.025pF的小电容。通过控制这些开关的导通与截止，可以得到四中不同的辐射方向图。当k1导通，其他开关断开时，定义为状态I,依此类推，可以得到状态II,III和状态VI。
                          
                        2.2  仿真结果

                         该天线使用三维高频电磁仿真软件HFSS10.0进行仿真。状态I和状态II的仿真回波损耗如图2所示。从图中可以看出，该提出的天线工作在两个频率,分别为f=10.8GHz和f=13.5GHz。
                          
       

               

       

                图2  回波损耗曲线

       

                 

                         图3和图4分别给出了状态I和状态II在两个谐振频率的仿真E面辐射方向图。由辐射方向图可以看出，通过对开关状态的调节，可以得到不同的辐射方向图。由于对称性，这里就不给出状态III和状态VI的辐射方向图了。
       

                 

       

               

       

                (a)状态I

       

               

       

                (a)状态II

       

                图3  天线在f=10.8GHz状态I和状态II的仿真辐射方向图

       

               

       

                (a)状态I

       

               

       

                (b)状态II

       

                图4  天线在f=13.5GHz状态I和状态II的仿真辐射方向图

                 
                        3  可重构相控阵研究

                         该阵列由上面给出的可重构单元组成,为了避免栅瓣的出现和尽量减少天线单元之间的互耦，本文采用非均匀的布阵方式进行组阵，也就是稀布阵排列[6-7]，三维结构如图5所示。该阵列由12个单元组成(No.1~No.12)，沿x轴分布，间隔分别为d1~d11,各个单元位置由下面的公式可以计算出：