黄楷程，卞立安，刘雨，王垚锟，洪颖杰
长沙理工大学 物理与电子科学学院，湖南 长沙 410114
随着舰船通信系统集成度的日益增加，无线设备需在有限的物理空间中适应更加复杂多变的环境[1]。在频谱资源愈加紧张、环境干扰愈加严重的背景下，如何在单个天线上实现多频复用已成为当前的研究热点。微带准八木天线作为一种典型的定向天线，具有重量轻、剖面低、散射截面积小等优点，已广泛应用于卫星通信、环境保护、武器引信等领域。为了实现微带准八木天线的频率可重构，一般在天线表面加载PIN 二极管以改变其表面电流路径，从而达到天线在2 个或多个任意间隔离散频段工作的目的[2-6]。
针对基于加载PIN 二极管的可重构微带类天线，靳贵平等[7]提出了一种共面波导差分馈电频率可重构天线，通过控制PIN 二极管的通断，即可使该天线实现在无线局域网（wireless local area network，WLAN）和全球微波互联接入（world-wide interoperability for microwave access， WiMAX） 这2 个波段的频率可调。Tawk 等[8]提出了一种应用于认知无线电的印刷单极子结构频率可重构天线，该天线通过加载2 个PIN 二极管来连接多次弯折的辐射部件并加入了寄生单元，从而实现其在移动无线通信所需的频段内工作。Valizade 等[9]提出了一种具有可切换带隙和多谐振性能的印刷可重构方形槽天线，通过刻蚀2 个“L”型槽、1 个“П”型槽并控制凹槽中PIN 二极管的通断，即可使凹槽合成一个“工”字型槽，虽然可以间接地改变天线结构，但其可重构状态较少。Jin 等[10]提出了一种基于偶极子的差分频率可重构天线，可应用于5G 和WLAN 波段；
通过控制4 个PIN 二极管的通断，即可使天线在2 种状态下谐振，且其谐振带宽较宽，结构紧凑。Shaw 等[11]提出了一种可作为区域导航卫星接收机系统的天线，其结构包含了2 个矩形贴片，并在贴片之间加载了3 个PIN二极管，从而实现了较稳定的双频段频率可重构，但其频率连续特性欠佳。由此可见，目前通过加载PIN 二极管的可重构天线普遍存在频率调节不连续、重构状态较少等问题。
为此，本文拟设计一种频率可重构的有源微带准八木天线：通过控制4 个PIN 二极管的通断，从而实现C 波段（5.77～7.10 GHz，7.40 ～7.56 GHz）和X 波段（8.33～8.64 GHz，8.76～9.27 GHz）频率的连续可重构；
通过附着雪花式谐振环（split-ring resonator，SRR） ，从而使天线获得2 个较好的谐振点，且保证天线辐射方向稳定；
通过引入蝶形偶极子和寄生单元，从而扩展天线的带宽。
天线模型如图1 所示，天线参数值如表1 所示。整体结构分为上下两层，使用50 Ω同轴线进行馈电。上层介质板的正面结构中心为“卍”字型金属贴片，4 个PIN 二极管（Switch 1，Switch 2，Switch 3，Switch 4）正交分布于中心点，2 条平行的带线引向器分别印刷于4 个方向的边沿处。上层介质板的背面为具有金属贴片的反向“卍”字型结构，且附着了雪花式SRR；
下层介质板的正面为接地板。2 层介质板均使用了相对介电常数为2.65 的聚四氟乙烯 （损耗正切为0.02），尺寸均为92.00 mm×92.00 mm×0.80 mm。由于天线结构呈C4 对称，所以该天线对电磁波极化不敏感。
图1 可重构天线的几何结构Fig. 1 The geometry structure of reconfigurable antenna
表1 天线参数Table 1 Antenna parameters
天线的频率可重构功能一般通过改变天线的表面电流分布来实现，所以通过控制天线表面加载PIN 二极管的通断，即可改变天线表面电流的路径长度，从而实现频率可调。该天线的4 个PIN 二极管与对应偏置电路均采用杜邦线连接，为了便于焊接，本文按照所加载PIN 二极管的规格在连接处进行了开缝处理。图1 中：L1为平行带线1 的长度；
L2为平行带线2 的长度；
L3为反射振子的长度 ；
C1=4.00 mm，为中心处矩形贴片的周长；
Lt为1/4 波长阻抗变换器的长度；
LS为介质板的边长；
Lg为蝶形偶极子的长度；
Lz1为背面反射振子长度；
Lw为方形接地面的边长；
W1为蝶形偶极子的宽度；
W2为雪花式谐振环单元与介质板背面蝶形振子的距离；
H为上下2 层介质板的距离。
辐射贴片、插槽和PIN 二极管均可由RLC 集总元件进行建模，如图2 所示：辐射贴片作为电路元件，可以表示为Lpatch，Cpatch，Rpatch；
插槽则表示为Lsolt，Csolt，Rsolt。根据模态扩展腔的模型，即可计算该模型中辐射片和缝隙的R，L，C的数值。
图2 PIN 二极管的等效参数Fig. 2 Equivalent parameters of PIN diode
辐射贴片和缝隙之间的耦合电容Cgap为[11]
式中，Codd和Ceven分别为等效电路模型中辐射贴片和缝隙之间奇偶模的电容量。
对于二极管而言，当其导通时可以等效为7.8 Ω电阻和30 pH 电感的串联，当其截止时则等效为28 fF 电容和30 pH 电感的串联，因此，二极管的通/断将直接改变辐射单元的有效电长度，从而实现天线的频率可重构。
为了设计性能稳定的频率可重构天线，本文在天线上层介质板背面加载了紧凑型雪花式SRR结构，如图3 所示，其中XH1=0.60 mm，XH2=0.70 mm，XH3=0.42 mm，XH4=0.58 mm，XH5=1.06 mm，XH6=1.10 mm，XH7=0.42 mm，XH8=0.70 mm，XH9=0.60 mm。相较于传统的双环SRR 结构，本文作了内凹和外凸之后的取互补处理，加强了整个SRR 单元的紧凑性，从而显著增加了单元内部的等效电容和等效电感。此外，弯折结构可以在不减小外环直径的条件下实现开口谐振环的小型化。双谐振频率主要由外环长度决定，第1 个谐振频率f1为[12]
图3 基于传统双环形单元所演化的紧凑型雪花式SRR 单元Fig. 3 Compact snowflake SRR element based on traditional double ring element
式中：c为真空中的光速；
εr为相对介电常数。在此基础上，外环和内环部分将共同工作以产生第2 个谐振频率[5]。
天线的4 种工作状态如表2 所示，其中“1”表示二极管导通，“0”表示二极管断开。图4 所示为谐振环加载前的天线回波损耗S11曲线，从图中可以看出：天线的主要谐振频率集中在6.40 GHz±400 MHz 附近；
平均回波损耗为-20 dB，这表明天线在C 波段的阻抗匹配良好；
在X 波段仅有模式3的谐振频率在-15 dB 以下，其他状态的谐振深度均无法满足实际需求。图5 所示为谐振环加载后的天线回波损耗S11曲线，从图中可知：加载雪花式谐振环之后，天线出现了新的谐振点（8.15～9.20 GHz）且天线回波损耗S11均低于-23 dB，而C 波段处的天线回波损耗平均可达-25 dB。由此可见，雪花式谐振环有效降低了天线的回波损耗并实现了天线的多频化。
表2 4 个PIN 二极管工作状态的组合方式Table 2 Combination mode of working states of four pin diodes
图4 谐振环加载前的天线回波损耗Fig. 4 Antenna return loss before resonant ring loading
图5 谐振环加载后的天线回波损耗Fig. 5 Antenna return loss after resonant ring loading
为了对比谐振环加载前后的天线波束指向情况，本文分析了模式2 在6.85 GHz 和模式4 在8.66 GHz 的波束指向，如图6 所示。从图6（a）可以看出，对于未加载谐振环的天线，仅有±x轴方向上的2 个主波束，而±y轴方向上的2 个波束则不明显且辐射能量较小；
从图6（c）可以看出，加载谐振环之后，天线波束更宽且辐射能量更大；
从图6（b）可以看出，加载谐振环之前的天线在未导通二极管的±y轴方向处出现了旁瓣波束；
对比图6（d）可以看出，谐振环加载之后，天线波束朝二极管导通方向端射，波束指向更加稳定并消除了多余的旁瓣。因此，加载雪花式谐振环之后，天线波束的辐射能量更强，方向性更好，有效改善了天线远场方向的稳定性，并保持了良好的端射特性。
图6 谐振环加载前后的波束指向对比Fig. 6 Comparison of beam direction before and after resonant ring loading
为了分析谐振环单元对天线谐振频率的影响，取参数W2（图1 中谐振环与蝶形振子之间的距离）进行扫描仿真分析，结果如图7 所示。当W2由0.20 mm 增加至0.40 mm 时，天线在6.18 GHz附近产生了谐振且匹配良好；
当W2继续增加至0.60 mm 时，谐振频率将逐渐偏离中心频率点，并往低频方向移动；
当W2减小时，天线的谐振频点则往高频方向偏移，由此可见，W2值的变化将主要对低频的回波损耗产生影响。鉴于天线的工作性能和谐振深度均需相对良好，故最终选择W2=0.40 mm。
为了深入研究该天线频率可重构功能的实现原理，本文进一步分析了天线4 种工作状态下的表面电流分布情况，结果如图8 所示。由图8（a）可知，当二极管全部断开时（模式1），大部分电流集中于矩形贴片四周边缘，而缝隙中的电流非常小，这是由于高内阻的电容器阻碍了电流从矩形贴片流通至反射振子。如图8（b）所示，当二极管全部导通时（模式2），因矩形缝隙耦合作用在缝隙靠地一侧产生的耦合电流可以经由二极管开关，继续沿着反射振子的边缘流通至蝶形振子末端。此时，实际电流路径约为0.5C1+Lt+L3+Lg，可近似等于0.43λ6.85GHz，其中λ6.85GHz为6.85 GHz 频率的电磁波在自由空间的波长。当天线工作在模式3 时，如图8（c）所示，导通状态的二极管将充当矩形贴片和反射振子的连接臂，此时电容器的阻抗非常低，从而导致了矩形贴片和缝隙之间的电流强耦合；
开关闭合状态的二极管，则没有电流通过。
图8 天线在6.85 GHz 处的表面电流分布Fig. 8 Surface current distribution of antenna at 6.85 GHz
图9 所示为天线在模式4 下高频工作时的表面电流分布，假定在PIN 二极管0 状态下矩形缝隙产生的耦合电流无法经由开关流通至蝶形振子末端，则天线表面电流可分为2 个部分：第1 部分主要集中在上层介质板背面的接地面和矩形缝隙边缘，电流路径长度约为0.5C1，近似等于0.53λ9.16GHz；
第2 部分主要集中在天线上层介质板背面的接地面和反射振子中间，其电流路径约为2Lt+L3+Lg，近似等于0.44λ8.66GHz。模式4 的工作频带为8.66～9.16 GHz，由图9 可知，集中在天线上层介质板背面的接地面和矩形缝隙边缘的耦合电流决定了天线工作频带的下边频，而分布在该接地面和反射振子中间及末端的电流路径长度则决定了天线工作频带的上边频[7]。综上所述，通过分析天线表面的电流分布，即可得出天线的工作频带参数。
图9 天线在模式4 下的表面电流分布Fig. 9 Surface current distribution of antenna in mode 4
经仿真分析，该天线可以在C 波段（6～6.50 GHz，6.6～6.95 GHz）和X 波段（8.15～9.20 GHz）实现频率可重构。
为了验证所设计天线的工作性能，本文对天线进行了加工与测试，天线的端口性能和方向图测试均在微波暗室中完成，如图10 所示，其中二极管型号为MACOM-000907-14020，通过控制模块来实现其通断。
图10 天线实物和测试场景Fig. 10 Antenna object and test scenario
图11 所示为可重构天线在4 种工作状态下的S11仿真与测试对比结果，其中粉色区域表示仿真结果，绿色区域表示测试结果，黄色区域表示两者重叠。由图11 可知，天线在5.77～7.10 GHz，7.40～7.56 GHz，8.33～8.64 GHz，8.76～9.27 GHz 实现了区域频率可重构。相较于仿真结果，测试时天线在低频段的频率调谐一致性较好，而在高频段（X 波段）的一致性则较差，这主要是因为材料介电常数不均匀以及在加工、焊接和测试过程中引入了误差所致。
图11 天线S11 的仿真和测试结果对比Fig. 11 Comparison of simulation and test results of S11
图12 所示为天线在低频（6.25 GHz）和高频（8.66 GHz）时各状态下的仿真与测试结果方向图，其中H 面即为天线的最大辐射方向与磁场方向所组成的平面。从图12（a）、图12（b）可以看出，当天线的4 个PIN 二极管全部导通或断开时，天线方向图几乎全向；
从图12（c）可以看出，当天线导通2 个相邻二极管时，主瓣波束将指向2 个二极管的夹角方向，且角度偏转误差不超过13°，波束宽度测量值约为102°；
从图12（d）可以看出，当天线的对角二极管导通时，将出现2 个对角主瓣。本文还测试了天线选择性地导通单个二极管的情况，结果如图12（e）～图12（h）所示，天线主瓣分别指向125°，35°，305°，215°，且测得3 dB 波束宽度约为108°。综上所述，对于在高频状态和低频状态下工作的天线，其方向图的仿真与测试结果基本吻合。
图12 天线在不同模式下方向图的仿真和测试结果对比Fig. 12 Comparison of simulation and test results of antenna patterns in different modes
基于舰船在复杂环境下通信、导航的抗干扰要求及战时隐身要求，本文设计了一种加载PIN二极管和雪花式SRR 结构的微带准八木天线，通过控制4 个PIN 二极管的通断，实现了天线工作带宽范围在C 波段（5.77～7.10 GHz，7.40～7.56 GHz）和X 波段（8.33～8.64 GHz，8.76～9.27 GHz）频率的可重构；
通过加载雪花形谐振环，有效改善了天线远场方向图的偏转误差和端射方位角，其中所有模式下的增益水平均大于5.7 dBi，且3 dB 波束宽度的平均值约为102°。然而，由于八木天线自身的局限性，其总体尺寸较大，后续可通过贴片开槽等方式来缩小天线体积，进一步实现结构的小型化。