王丽黎，刘丽珍

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048)

随着现代卫星导航和通信系统的迅速发展，现代无线通信、卫星通信中的各种军用和民用电子设备都朝着小型化[1]、宽频带[2-3]、高效率、易安装的方向发展，可重构天线技术应运而生[4-5]。该技术通过在同一个天线上使用 PIN或 MEMS开关动态改变其天线结构或尺寸，使其具有多个天线的功能[6-7]。

目前，微带天线的频率可重构实现方法有很多。参考文献[8-11]虽然都是频率重构的微带天线，但都不是圆极化微带天线的频率可重构。参考文献[12]通过在接地板上开槽实现了频率可调的圆极化天线。

本文设计了一种频率可重构圆极化贴片天线，在不改变馈电点的情况下，利用电控开关改变方环形寄生单元与贴片连接状态，实现频率的转换。与参考文献[8-11]频率可重构微带天线相比，该天线是频率可重构的圆极化微带天线，可接收卫星导航信号，并且此结构具有尺寸小、剖面低、结构简单、便于开关的加载等特点。

1 可重构天线的设计

由于自身电磁特性的原因，传统的微带贴片天线带宽往往比较窄，拓展带宽的一种方法就是附加寄生贴片[4]。本文采用在方形主辐射贴片周围附加一方环形寄生贴片的方法，当主辐射贴片在某一频率谐振时，通过电磁耦合寄生贴片在主辐射贴片附近谐振，从而使天线带宽明显增加。在本文中频率的可重构是通过控制主贴片和寄生贴片的通断来改变天线的结构关系。

图1为本文设计的可重构天线的结构，天线是由方形主贴片和一个方环形寄生贴片组成，相当于在方形贴片上挖出了一个方环形缝隙。天线的具体尺寸为：介质板选用相对介电常数εr为9.6的微波复合介质，介质板厚度 4 mm，尺寸为 L×L=66 mm×66 mm；主辐射贴片尺寸为 L2×L2=30.55 mm×30.55 mm； 寄生贴片尺寸为 L1×L1=36.4 mm×36.4 mm；缝隙的宽度均为 W=1.225 mm；天线采用四馈点实现圆极化，馈点在离原点10.5 mm的位置。同时控制开关1、2、3、4即可实现频率的可重构。

图1 可重构天线的结构

馈电网络是由3个威尔金森功率分配器构成的，馈电网络的地面与天线的地贴在一起，通过4个50 Ω底馈探针对贴片馈电，馈电网络设计如图2所示。1端口为输入，2、3、4、5端口为输出，离 1端口近的功率分配器一个输出端经过 1/2波长相移 180°接到离 4、5端口近的功率分配器，另一个输出端不相移；另外两个功率分配器都是一个输出端口经过1/4波长相移，另外一个输出端不相移。这样，4个输出端的输出就是幅度相等、相位依次相差 90°，即 0°、-90°、-180°、-270°，天线即可实现右旋圆极化波。每个威尔金森功率分配器在两个输出端之间还需要一个100 Ω的隔离电阻。馈电网络的介质板采用厚度为 0.8 mm、尺寸为 66 mm×66 mm、相对介电常数为2.65的聚四氟乙烯玻璃布板。

图2 馈电网络结构

2 天线的仿真分析

采用电磁仿真软件HFSS 13.0对天线进行仿真，为了方便仿真，将RF MEMS开关理性等效，即开关闭合时用金属片代替，开关断开时等效为断路。当开关断开时，天线仿真结果如图3所示；当开关闭合时，天线仿真结果如图4所示。

从图3可以看出，当开关断开时，天线接收GPS L1(1575±5 MHz)、GLONASS L1(1 602±5 MHz)和 BDS B1(1561±2 MHz）信号；S参数均≤-10 dB，右旋圆极化轴比在天线上半空间内，均小于5.0 dB。

从图4可以看出,开关闭合时天线接收 BDS B3(1 268±10 MHz)信号；S参数均≤-10 dB，右旋圆极化轴比在天线上半空间-70°≤θ≤70°内，均小于 5.0 dB。

由图3、图4可以看出，天线的S参数在很宽的频带范围内都小于-10 dB，但在其他的频段内右旋圆极化轴比不能达到要求。天线增益由于功率分配器的分配而减小，外接低噪声放大器来提高增益就可以达到卫星导航系统天线的要求。

图3 开关断开时仿真结果

图4 开关闭合时仿真结果

本文设计了一种频率可重构的圆极化微带天线，采用RF MEMS开关控制，使天线工作在不同的频段，即同一个天线可接收GPS信号也可接收北斗二代信号，不仅降低了成本也节约了空间。

[1]傅世强，王强，李婵娟.一种易调谐的小型GPS微带天线设计[J].电子技术应用,2012,38(11):116-118.

[2]胡少文，吴毅强，罗斌，等.一种新型的超宽带天线的研究[J].电子技术应用,2013,39(1):90-92.

[3]陈建军，宋学瑞，曹宏徙.宽频带高增益RFID微带天线阵设计[J].微型机与应用,2012,31(10):58-60,64.

[4]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.

[5]杨雪松,王秉中.可重构天线的研究进展[J].系统工程与电子技术,2003,25(4):417-421.

[6]肖绍球,王秉中.微带可重构天线的初步探讨[J].电波科学学报,2002,17(4):386-417.

[7]王安国,张佳杰,王鹏，等.可重构天线的研究现状与发展趋势[J].电波科学学报,2008,23(5):997-1008.

[8]李浩,冷文,王安国,等.一种小型化频率可重构微带天线的设计[J].电子测量技术,2013,36(10):119-122.

[9]魏文博,尹应增,郭景丽，等.小型化微带缝隙可重构天线[J].西安电子科技大学学报,2007,34(4):562-565.

[10]JHAMB K,LI L,RAMBABU K.Frequency adjustable microstrip annular ring patch antenna with multi-band characteristics[J].IET Microw.Antennas Propag.,2011,5(12):1471-1478.

[11]MARTIN N,LAURENT P,PERSON C,et al.Patch antenna adjustable in frequency using liquid crystal[C].33rdEuropean Microware Conference,Munich,2003:699-702.

[12]Huang Chihyu,Ling Chingwei.Frequency-adjustable circularly polarised dielectric resonator antenna with slotted ground plane[J].Electronics Letters,2003,39(14):1030-1031.