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一种宽带L型圆极化可重构微带贴片天线

Shing-Lung Steven Yang 和 Kwai-Man Luk

摘要：提出了一种由L形探针馈电的宽带圆极化可重构微带天线。右旋圆极化和左旋圆极化可以通过馈送扰动方形贴片的L形探针来激发。L形探针连接到在地平面下方制造的开关，使得可以实现圆偏振辐射图案重新配置。制作了一个天线原型，其SWR 2和轴比为3 dB时带宽超过10％。

索引术语 ——宽带天线，微带天线，可重新配置

一介绍

圆极化常用于雷达跟踪，全球定位系统和卫星通信;已经针对这些类型的应用提出了各种类型的天线。在[1]中已经报道了一些常规设计，其可以通过激励两个退化正交模式来产生圆极化。单馈圆极化（CP）贴片天线可以通过扰动贴片来激发两种正交模式，然而窄轴比（AR）带宽降低了天线的有利性。因此，扩大CP天线的AR带宽是相当有意义的。在[2]中提出了L形探针馈电技术，以增强微波探针的阻抗匹配带宽。此外，由L形探头开发的几个宽带CP天线是在[3]，[4]中提出，并且已经证明了增强的AR带宽设计。然而，他们提出的设计基于多个馈电结构，这需要宽带馈电网络的设计。

另一方面，近年来在可重构天线的设计中存在新兴趣。已经证明了几种能够在右旋圆极化（RHCP）和左旋圆极化（LHCP）之间进行电气切换的天线设计[5] - [7]。可以通过控制RF PIN二极管的状态来执行极化分集。然而，大多数报道的设计都是基于带限结构，其中在实际应用中不太有利。

本文介绍了一种宽带CP可重构微带贴片天线。L形探针[2]用于激发扰动的贴片，以实现宽阻抗匹配带宽和宽AR带宽。此外，可以通过SPDT开关选择两个CP极化LHCP或RHCP。SPDT开关由PIN二极管构成，并制造在接地平面的背面。将在以下部分中介绍和比较该天线的模拟和测量性能。

二天线结构

图1所提出的可重构天线的几何形状

所提出的天线的几何形状如图1所示。贴片的宽度（Wp），长度（Lp）和高度（Hp）分别为68mm，68mm和15mm;它的长度（a）为28毫米。L形探针的长度（LLP）和高度（HLP）为24mm和11毫米。L形探针穿过接地平面并焊接到接地平面下方的馈电网络。为了防止探针接触地平面，在地平面的铜上铣削两个孔;孔的半径为3毫米，与探头位置一致。接地平面的尺寸为150mmtimes;150mm，其尺寸与FR4基板相同。FR4基板的厚度和相对介电常数分别为1.6mm和4.6。CP偏振由开关控制。通过喂入探针1，可以激发LHCP;另一方面，RHCP可以通过喂食探针来激发。因此，可以通过馈送到指定的探针来简单地实现极化分集。

图2. SPDT开关的原理图

SPDT开关设计用于切换馈电路径，并且它可用于控制所提出的天线的极化。SPDT开关的原理图如图2所示。二极管的型号为BAR64-02V，由英飞凌科技公司制造。输入和输出隔直电容（Co）的电容为20 pF，电感（L）的电感为68 nH，（C1）和（C2）的电容为1 pF和82 pF，以及限流电阻使用（R）电阻470。两个串联PIN二极管用于增强交换机的隔离。可以通过向SPDT开关（U1和U2）施加合适的偏压来控制天线的辐射方向图。当向U1施加3V并且向U2施加0V时可以产生RHCP，并且当分别向U2和U1施加3V和0V时可以产生类似的LHCP。

三模拟和实验结果

图3.拟议天线的回波损耗和增益

图4.所提出的天线的轴比（宽边方向）

通过商业可用的仿真软件Zeland IE3D 10.2版研究了天线的性能，并制作了天线原型以验证仿真结果。通过对SPDT开关施加合适的偏压来测量天线的性能，同时通过假设空转馈电探针为开路来获得模拟结果。辐射模式和增益由Emco 3102锥形对数螺旋天线在紧凑的天线测试范围内测量。图3显示了天线的回波损耗和增益。当LHCP模式接通时，测量的阻抗匹配带宽在1.67-2.17GHz范围内为26.0％;而RHCP模式覆盖1.75-2.26 GHz（25.4％）。在阻抗匹配带宽上测得的天线峰值增益约为6-7 dBic。模拟增益与1.7-2 GHz的测量增益之间约为1 dB，差异可能是由于开关引入的插入损耗。测量和模拟的AR在图4中进行了比较。当LHCP模式接通时，测量的AR带宽为1.58-1.9 GHz（18.4％），而RHCP为1.54-1.95 GHz（25％）模式打开。由于天线的几何形状关于phi = 135轴对称，因此两种操作模式的模拟回波损耗和AR具有相同的结果。然而，两种操作模式的实验结果中存在差异，这可能是由于天线原型制造中存在的容差和开关的影响。

图5.测量的辐射模式，（a）当切换LHCP模式时（1.38 GHz）切换 上 或（b）切换RHCP模式时（1.39 GHz） 上。模拟辐射模式为1.90 GHz。[黑色实线：LHCP（测量），黑色虚线：RHCP（测量），灰色实线：LHCP（sim。），灰色虚线：RHCP（sim。）]

测得的回波损耗和AR都向低频移动，这可能是由于开关输入阻抗的影响。这种现象的细节将在下一节中讨论。中心AR频率的模拟和测量辐射图如图5所示。测得的辐射方向图与模拟的辐射方向图很吻合。

四讨论

图6.当空闲馈电端口的负载阻抗变化时，对所提出的天线的回波损耗的仿真研究

在上一节中，发现与模拟结果相比，测量结果向较低频率移动。预计开关在关闭时不会出现理想的开路。已经进行了仿真研究，以研究当空转探头（“关闭端口”）的负载阻抗变化时回波损耗的灵敏度;结果如图6所示。当空转馈电探头的负载阻抗从无穷大（开路）变为零（短路）时，发现天线的回波损耗发生变化并向低频移动。通过将如图6所示的模拟结果与制造的天线的测量结果进行比较，可以预测OFF状态开关的阻抗不是完全开路的。这可以解释为什么模拟结果和测量结果之间存在频率差异。

该宽带CP可重配置天线适用于需要RHCP和LHCP用于发送和接收的系统，例如卫星链路，射频识别（RFID）或无线局域网（WLAN）的链路。它可以减少所需的天线数量，这也可以降低安装成本。

五结论

提出了一种宽带CP可重构贴片天线。通过用两个L形探针激发一个扰动的贴片，并用SPDT开关，可以进行宽带CP极化分集。制造的天线原型实现了宽阻抗匹配和轴比率带宽超过10％。

参考文献

[1] JR James和PS Hall，微带天线手册.英国伦敦：Peter Peregrinus，1989.

[2] CL Mak，KM Luk，KF Lee和YL Chow，“带有L形探头的微带贴片天线的实验研究”，IEEE Trans.Antennas Propag.，vol.48，no.5，pp.777-783，2000年5月.

[3] KL Lau和KM Luk，“用于双频段操作的宽带圆极化L探头耦合贴片天线”，IEEE Trans.Antennas Propag.，vol.53，no.8，pp.2636-2644，2005年8月.

[4] L. Bian，YX Guo，LC Ong和XQ Shi，“宽带圆极化贴片天线”，IEEE Trans。Antennas Propag.，vol.54，no.9，pp.2682-2686，2006年9月.

[5] M. Boti，L.Dussopt和JM Laheurte，“具有可切换偏振感的圆极化天线”，Electron.Lett.，vol.36，no.18，pp.1518-1519，2000年8月.

[6] F. Yang和Y. Rahmat-Samii，“使用可切换槽进行圆极化分集的可重构贴片天线”，IEEE Microw.无线组件.Lett.，vol.12，no.3，pp.96-98，2002年3月.

[7] T. Fukusako，N.Kitamura和N. Mita，“使用Y分支馈电电路的圆极化可重构贴片天线”，Proc.IEEE APS Int.Symp.，Jul.2005，vol.2B，pp.597-600.

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