顧 航， 文舸一

(南京信息工程大學(xué)應(yīng)用電磁學(xué)研究中心， 江蘇南京 210044)

0 引言

極化可調(diào)控天線陣列在現(xiàn)代無線通信中用途廣泛，在收發(fā)系統(tǒng)中它可以切換到合適的極化方式來提高與發(fā)射或者接收天線之間的傳輸效率，同時(shí)減少甚至隔絕與其他極化方式的天線系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸，從而降低了傳輸過程中的能量損失，增強(qiáng)了抗干擾性。極化可調(diào)控天線陣列可通過二極管、開關(guān)、多端口饋電網(wǎng)絡(luò)等方式來實(shí)現(xiàn)極化的調(diào)控，主要可以分為兩大類：第一類是通過電路結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)陣列單元本身的工作模式，進(jìn)而調(diào)節(jié)陣列的極化方式，這占據(jù)了極化可調(diào)控天線陣列中的絕大部分；第二類是通過切換饋電網(wǎng)絡(luò)控制陣列單元的位置和相位，通過空間波束的疊加來實(shí)現(xiàn)整個(gè)陣列的極化可調(diào)。第一類調(diào)控方式通過單元上多個(gè)端口的切換實(shí)現(xiàn)調(diào)控，其單元都是有針對性地設(shè)計(jì)好的，因而第一類調(diào)控方式對于普通的單元(如單饋點(diǎn)的天線結(jié)構(gòu))不具有普適性；而且附加在天線單元上的電路結(jié)構(gòu)也在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和損耗。第二類方式通過切換饋電網(wǎng)絡(luò)來控制陣列中單元的激勵(lì)幅值和相位，每一個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)一種極化方式，因而極化的多樣性受到制約。

上述兩類極化調(diào)控方式在進(jìn)行水平線極化與垂直線極化切換或進(jìn)行線極化和圓極化切換的時(shí)候，要求陣列結(jié)構(gòu)本身具有垂直極化和水平極化工作的線極化單元。對更加一般的隨機(jī)單元排布方式(如陣列中任意兩個(gè)單元的極化方向在空間上都不正交)，傳統(tǒng)的極化調(diào)控設(shè)計(jì)方式使用起來局限性非常大。

任何無線系統(tǒng)都以傳輸效率最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)。最大功率傳輸效率法(MMPTE)以傳輸效率作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來設(shè)計(jì)一般陣列天線，抓住了天線設(shè)計(jì)的核心，故其設(shè)計(jì)性能優(yōu)于現(xiàn)今所有其他陣列天線設(shè)計(jì)方法。本文將MMPTE進(jìn)一步推廣到極化可調(diào)控陣列天線的設(shè)計(jì)。通過引入極化控制接收天線，將天線陣列的極化調(diào)控問題轉(zhuǎn)化為功率傳輸問題。該方法適用于任意具有極化可調(diào)控性的陣列，而且不受陣列所使用的單元以及陣列本身布局的限制。相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)勢十分明顯。

1 設(shè)計(jì)方法簡介

1.1 MMPTE原理

以如圖1所示的傳輸系統(tǒng)為例，它包含一個(gè)具有4個(gè)天線單元的發(fā)射陣列(待設(shè)計(jì)陣列)和一個(gè)極化控制接收天線。根據(jù)極化調(diào)控目標(biāo)，接收天線可以有多種不同的極化形式，如圓極化天線、線極化天線和雙極化天線。以圖1中的圓極化接收天線為例，將整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)視為一個(gè)5端口網(wǎng)絡(luò)。用下標(biāo)“t”表示發(fā)射陣列，下標(biāo)“r”表示接收天線，該系統(tǒng)可用S參數(shù)表示為

圖1 功率傳輸系統(tǒng)

(1)

其中天線陣列和接收天線的歸一化入射波和反射波分別為

[]=[,,,][]=[][]=[,,,][]=[]

(2)

接收功率與發(fā)射天線陣列的輸入功率之比即為傳輸效率，可以表示為

(3)

在接收天線完全匹配的情況下有[] = 0， 式(3)可以由式(1)寫為

(4)

在系統(tǒng)完全匹配下，若上式達(dá)到最大可以得到如下特征值方程：

[][]=[]

(5)

發(fā)射陣列與接收天線之間的最大功率傳輸效率對應(yīng)式(5)的唯一非零特征值，相應(yīng)的特征向量為最優(yōu)激勵(lì)。根據(jù)MMPTE所計(jì)算出的最優(yōu)激勵(lì)分布保證發(fā)射端與接收端之間的功率傳輸效率最大。

1.2 用MMPTE實(shí)現(xiàn)極化可調(diào)控的原理

兩個(gè)線極化的天線之間的功率傳輸效率只有兩者極化匹配時(shí)才能達(dá)到最大化，因此，在發(fā)射陣列具有可極化重構(gòu)可能性的物理前提下，由MMPTE計(jì)算出的最優(yōu)激勵(lì)分布，一定會(huì)保證發(fā)射陣列具有與接收天線相同的極化方式，從而將極化調(diào)控問題轉(zhuǎn)化為了傳輸效率優(yōu)化問題。通過HFSS等仿真軟件計(jì)算出接收天線和發(fā)射陣列各個(gè)單元之間的散射參數(shù)，即可將散射參數(shù)矩陣代入到MMPTE中進(jìn)行計(jì)算得出每個(gè)端口的幅值和相位,實(shí)際測試過程中直接將天線陣列外接移相器即可對每個(gè)端口施加對應(yīng)的激勵(lì)。值得指出的是發(fā)射陣列必須具有實(shí)現(xiàn)極化可調(diào)的物理基礎(chǔ)。MMPTE方法可以獲得陣列在各種極化方式下的增益大小或極化效果。如果發(fā)射陣列的極化效果差，表示該陣列在物理上不能產(chǎn)生與接收天線相一致的極化。

1.3 接收天線陣列的設(shè)計(jì)

為了說明MMPTE用于極化可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)的步驟與可行性，特將文獻(xiàn)[11]提出設(shè)計(jì)結(jié)果與MMPTE的結(jié)果進(jìn)行比較。圖2為工作在2.45 GHz的陣列。陣列由4個(gè)線極化單元組成，基板選用了FR4_Epoxy，單元間距約為半波長，采用同軸饋電。眾所周知，對4個(gè)完全相同且以90°角度差依次旋轉(zhuǎn)排列的線極化天線陣列(如圖2所示)，若其激勵(lì)為等幅并且相位依次差90°，則該四單元陣列輻射圓極化波。用MMPTE可得到同樣的結(jié)論。將置于遠(yuǎn)場區(qū)的接收天線選為最常見的切角右旋圓極化微帶貼片天線(如果要產(chǎn)生左旋圓極化波，只需用左旋圓極化天線替換接收天線即可)。 通過MMPTE計(jì)算得到的最優(yōu)激勵(lì)列于表1。顯然，由MMPTE計(jì)算出的4個(gè)端口的電壓幅值比例近似為1∶1∶1∶1，相位也幾乎按0°，90°，180°，270°的形式分布。

圖2 2×2陣列的布局

表1 2×2右旋圓極化陣列的幅值和相位

對上面簡單的2×2陣列而言，實(shí)現(xiàn)特定極化的激勵(lì)分布可以通過理論分析得到。當(dāng)單元數(shù)目增加且單元排列不規(guī)則時(shí)，從理論上獲得實(shí)現(xiàn)特定極化的激勵(lì)分布變得十分困難，而MMPTE可以解決這一難題。文獻(xiàn)[12]和[13]提出了一種由不規(guī)則排布的線極化陣列產(chǎn)生圓極化波束的方法，該方法以陣因子和單元因子疊加計(jì)算總場的方式確定激勵(lì)分布，其中單元采取等幅饋電的方式，相位分布則是通過給每個(gè)單元施加一個(gè)等同于其旋轉(zhuǎn)角的相移給出。MMPTE相比于該方法存在如下優(yōu)勢：首先MMPTE的激勵(lì)分布并非等幅而是優(yōu)化之后的結(jié)果，提高了陣列的增益；其次在該方法采用的陣列中，對于任意一個(gè)隨機(jī)擺放的單元，必定存在另一個(gè)與其在空間中形成90°旋轉(zhuǎn)角的單元，因此施加完相移后就形成了等幅正交的兩個(gè)線極化分量，因而MMPTE相比于該方法可以適用于更為一般的不規(guī)則陣列；最后該方法僅針對圓極化，對各個(gè)方向的線極化以及雙線極化并未作探討。圖3是一個(gè)由12個(gè)線極化天線單元組成的陣列，采用的單元和基板材料與圖2中的相同，它不同于普通的陣列排列方式。從實(shí)現(xiàn)圓極化的角度來看，該陣列不存在兩個(gè)單元極化方向正交的且相差90°的排列方式；從實(shí)現(xiàn)線極化的角度來說，該陣列沒有嚴(yán)格的行與列之分；從實(shí)現(xiàn)雙線極化的角度來說，該陣列從和方向看過去是兩種截然不同的布局。與圖2中的陣列一樣，該陣列本身并不具備特定的極化方式，其輻射的波束的極化方式完全由陣列單元的激勵(lì)分布決定。對于這種復(fù)雜的排列方式，利用MMPTE同樣可以得到實(shí)現(xiàn)不同極化的最優(yōu)激勵(lì)分布。當(dāng)遠(yuǎn)場區(qū)所設(shè)置的接收天線分別為左旋圓極化天線和右旋圓極化天線時(shí)，用MMPTE得到激勵(lì)分布如表2所示。

表2 圓極化天線的激勵(lì)分布

圖3 12單元陣列的布局

圖3所示陣列也可實(shí)現(xiàn)線極化或雙線極化，其最優(yōu)激勵(lì)可以通過MMPTE利用線極化接收天線或雙線極化接收天線獲得。雙線極化接收天線效果類似文獻(xiàn)[14]中的天線，本文中采用的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線的兩個(gè)相同單元分別沿軸和軸放置(兩單元增益相等，方位上相差90°)，并通過微帶線相連。用MMPTE獲得的線極化情況下的陣列激勵(lì)如表3所示。從表3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陣列極化沿方向時(shí)，自身極化方向是方向的單元獲得較大的激勵(lì)，而自身極化方向是方向的單元所獲得的激勵(lì)幾乎可以忽略不計(jì)，這也從理論上驗(yàn)證了MMPTE方法的正確性。

表3 線極化天線的激勵(lì)分布

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

工作在2.45 GHz的2×2圓極化陣列的反射系數(shù)||和軸比如圖4所示?？梢钥闯鲈撽嚵械妮S比在很寬的頻帶內(nèi)都小于3 dB。值得指出，發(fā)射陣列的極化效果與接收天線選擇有關(guān)。本設(shè)計(jì)選用的接收天線是一個(gè)普通的切角圓極化接收天線，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 2×2圓極化陣列的實(shí)測和仿真結(jié)果

圖5是12單元陣列的反射系數(shù)和軸比。在圖6中給出了接收天線為方向極化的條件下陣列的(增益分量)和(增益分量)的對比圖，可以看出軸方向的遠(yuǎn)大于；而在軸方向的結(jié)果剛好相反。這表明陣列的極化方向是軸方向，而在軸方向極化分量特別小。圖7是接收天線為方向極化條件下的結(jié)果。與圖6中的結(jié)果截然相反，陣列在平面上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于, 而在平面上的比大得多。這說明陣列的主極化方向是軸方向。最后由極化分量分別沿著軸和軸的雙線極化天線作為接收天線的結(jié)果如圖8所示。圖8(a)和(b)分別是平面和平面的和的對比。仿真與實(shí)測結(jié)果均說明軸方向上和軸方向上的極化分量相差不大，具有良好的雙線極化效果。

圖5 12單元圓極化陣列的實(shí)測和仿真結(jié)果

圖6 12單元x方向線極化陣列的實(shí)測和仿真結(jié)果

圖7 12單元y方向線極化陣列的實(shí)測和仿真結(jié)果

圖8 12單元雙線極化陣列的實(shí)測和仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文將MMPTE用于極化可調(diào)控天線陣列設(shè)計(jì)，并給出了2×2陣列和12單元陣列的設(shè)計(jì)實(shí)例，兩個(gè)陣列采用常見的線極化微帶貼片單元。通過在遠(yuǎn)場區(qū)選用不同的極化方式的接收天線，在12單元的陣列上實(shí)現(xiàn)了多種極化切換功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果表明，MMPTE不僅可用于極化可調(diào)控天線陣列的設(shè)計(jì)，而且還能保證最佳的極化效果與增益特性。尤其在單元不規(guī)則排列情況下，該方法總能給出問題的最優(yōu)解，故與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，MMPTE的優(yōu)越性十分明顯。