隨著無線通信和雷達系統的不斷發展，使得同一平臺搭載的信息子系統數目增加，作為無線通信系統中信息出入必然通道的天線而言，其數量也相應增加，這樣非常不利于綜合系統的進一步發展，結構緊湊的可重構天線具有改善這種不利局面的巨大潛力。另外，相控陣所能實現的波束電掃描能夠大大的拓展其應用范圍，目前典型的相控陣能掃描到的角度僅為-45o 到+45 o，綜合分析，造成相控陣的這種小角度掃描范圍主要由兩個因素導致，其一是天線本身的方向圖特性，其二是互耦的存在，因此，如何拓展相控陣的掃描范圍成為一個很熱門的研究熱點。從某種程度上而言，方向圖可重構天線的提出能夠解決這一問題。

 

本文提出了一種雙頻方向圖可重構介質諧振天線，該天線具有兩個諧振頻率，通過控制安裝在饋電網絡上的四個開關，可以得到，每個諧振頻率對應四個不同的方向圖，從而實現重構;另外，對于同一種開關狀態而言，兩個諧振頻率所對應的方向圖相互對稱。本文也提出了應用該重構天線單元組成的相控陣，該陣列采用稀布陣列的組陣方式。研究結果表明，相對于傳統相控陣而言，該相控陣具有較低的副瓣和較大的掃描范圍。

 

 

本文提出的可重構天線單元如圖1所示。

 

由一個挖掉內圓柱體的半球介質諧振器和底部的正交饋電網絡構成，采用中心同軸饋電。

(a) 三維圖

(b) 底面圖

 

圖1  雙頻介質方向圖可重構天線

 

該介質諧振天線的相對介電常數為εr=6，半徑為R=7.2mm,內部挖掉的圓柱的半徑和高度分別為r=6.6mm和3.5mm,四個半徑和長度分別為rpin=0.62mm和L=3.48mm金屬柱子分別固定在正交饋電網絡的末端上，正交饋電網絡的中心連接同軸探針，且每個臂上均加有一個開關，分別定義為k1,k2,k3和k4。地板面積為2.1λ0×2.1λ0，此處的λ0表示自由空間波長。

 

為了能夠更為精確地模擬實際開關，該研究使用了真實開關的等效集總參數模型值，根據MA4GP905二極管的詳細參數表我們可以查到，二極管導通時相當于一個Rload=3Ω的小電阻，斷開時相當于一個Cload=0.025pF的小電容。通過控制這些開關的導通與截止，可以得到四中不同的輻射方向圖。當k1導通，其他開關斷開時，定義為狀態I,依此類推，可以得到狀態II,III和狀態VI。

 

 

該天線使用三維高頻電磁仿真軟件HFSS10.0進行仿真。狀態I和狀態II的仿真回波損耗如圖2所示。從圖中可以看出，該提出的天線工作在兩個頻率,分別為f=10.8GHz和f=13.5GHz。

圖2  回波損耗曲線

 

圖3和圖4分別給出了狀態I和狀態II在兩個諧振頻率的仿真E面輻射方向圖。由輻射方向圖可以看出，通過對開關狀態的調節，可以得到不同的輻射方向圖。由于對稱性，這里就不給出狀態III和狀態VI的輻射方向圖了。

圖3  天線在f=10.8GHz狀態I和狀態II的仿真輻射方向圖

圖4  天線在f=13.5GHz狀態I和狀態II的仿真輻射方向圖

 

 

該陣列由上面給出的可重構單元組成,為了避免柵瓣的出現和盡量減少天線單元之間的互耦，本文采用非均勻的布陣方式進行組陣，也就是稀布陣排列[6-7]，三維結構如圖5所示。該陣列由12個單元組成(No.1~No.12)，沿x軸分布，間隔分別為d1~d11,各個單元位置由下面的公式可以計算出：

θ0代表陣列輻射方向圖的主瓣方向。我們假定每個可重構天線單元的狀態都一致，取狀態I。

圖6給出了該相控陣前六個激勵端口的仿真回波損耗和和前七個天線的相鄰單元的耦合系數曲線。可以看出，各個端口匹配良好，且互耦隨著間隔的增大而較小。

由于輻射方向圖在同一開關狀態下的兩個諧振點的方向圖基本對稱，這里僅給出了該相控陣工作在狀態I且頻率為f=10.8GHz的輻射方向圖。從該方向圖可以看出，該相控陣工作在狀態I且f=10.8GHz時能從-84o掃描到0o，根據對稱性，如果該天線工作在該狀態且f=13.5GHz時，則該相控陣能夠實現從0o掃描到84o。同理，如果每個天線單元均取狀態II的話則在f=10.8GHz時能夠從0o掃描到84o，在f=13.5GHz時能夠從-84o掃描到0o，也就是說，通過重構開關狀態或者變化工作頻率，該相控陣都能夠實現從-84o掃描到84o的掃描，相對于普通的相控陣而言，該陣列極大地拓展了掃描范圍。

圖7  該相控陣隨著主瓣方向變化的輻射方向圖

 

 

本文提出了一種雙頻新型介質諧振方向圖可重構天線單元，通過重構天線饋電網絡上的開關狀態，該天線能夠實現在每個諧振頻點上能夠重構四個不同的輻射方向圖。同時，本文應用該天線單元組成了性能優良的稀布相控陣，通過重構開關狀態，該相控陣的E面方向圖的3dB波束帶寬基本能實現θ=-90o 到 90o的掃描。