基于有源頻率選擇表面的波束掃描天線設計

喬惠民，陳星

（四川大學，四川成都，610000）

0 前言

室內終端天線往往選擇全向特性以保證通信信號能覆蓋到房間里的每一個角落。然而，當人們的活動區域固定或多人聚集在某一區域時，繼續采用全向天線便會出現信號能量浪費和容量不足等問題。針對這一問題，研究人員希望采用靈活的波束掃描天線來實時地根據用戶需要對室內信號重新分配，從而提高通信質量。此外，波束掃描天線的其他顯著特性，如提高傳輸距離、減少多徑效應和提高通信容量，使其在軍事、衛星網絡和基站的點對多點通信系統中有著無限的應用潛力。因此，波束掃描天線具有重要的研究價值。

波束掃描天線的實現方式有很多，例如傳統的相控陣天線便是利用移相器對每一陣元的相位進行控制，從而實現整個天線合成波束的切換與掃描。然而，移相器價格往往比較昂貴，因此整個天線系統的成本會大幅增加。此外，由于陣元間的耦合影響，當掃描角度增大到60°后天線波束的增益便會出現大幅降低，這些都限制其在對信號需要大范圍覆蓋方面的應用。另一種方法便是使用Butler矩陣，但是它與天線陣列的集成非常復雜，并且會占用著非常大的空間。有源頻率選擇表面因其制造簡單、低成本和快速響應等特點被廣泛用來實現大角度甚至整個平面的波束掃描天線。文獻[7]中使用由PIN二極管控制有源頻率選擇表面和偶極子實現了在整個方位平面的波束掃描，在2.45GHz時的增益達到10dBi；為進一步提高天線增益，文獻[8]使用電磁耦合同軸偶極子陣列代替典型的偶極子，在2.1GHz處實現13dBi的高增益，但是相對帶寬只有6%；文獻[9]將相位補償方法應用于分析和設計加載變容二極管的頻率選擇表面，該天線實現了水平面全覆蓋并在2.45GHz處獲得了13.3dBi的高增益，同時滿足20°的掃描精度?，F有基于有源頻率選擇表面波束掃描天線為追求高增益特性，一般會采用偶極子或陣列作為輻射天線，但是這樣會導致整個天線的剖面很高，并進一步引起頻率選擇表面單元數量的增加，進而使得大量的有源元件被使用，最終導致天線成本、復雜度和不確定性大大增加。因此，如何減少所使用的有源元件數量便顯得十分重要。

本文提出了一種新的基于頻率選擇表面的波束掃描天線方案。該方案采取單極子作為內部的全向輻射天線，以減少整個天線的剖面高度，從而減少所需有源頻率選擇表面的數量。另外，對典型的頻率選擇表面單元結構進行優化，以實現其工作特性只需一個PIN二極管便可完成控制，進一步減少有源元件的數量。最后，為驗證設計方案的正確性，對工作在2.45GHz的波束掃描天線系統進行加工并完成測試。

1 天線設計、工作原理和參數分析

■1.1 有源頻率選擇表面單元設計

圖1是所設計的混合型有源頻率選擇表面單元。該單元由兩個半矩形金屬環和一個不連續的金屬線組成，無需偏置電路。整個單元刻蝕在F4B-2基板的一側，相對介電常數

ε

=2.65，厚度h=2mm。在金屬線的不連續處插入PIN二極管，這里選取Infineon公司的BAR64-02V型號的二極管來重構頻率選擇表面的電磁特性。根據BAR64-02V的數據手冊，該二極管在導通狀態下時等效為1.5Ω電阻與0.6nH電感的串聯電路；在斷開狀態時等效為3kΩ的電阻與0.17pF電容的并聯電路，如圖1(c)所示。為了使頻率選擇表面在2.45GHz處獲得高質量的透射和反射特性，使用全波仿真軟件對圖1(a)中標記的各個參數進行優化，獲得的最佳單元尺寸分別為1=w=25mm，w=20mm，w=18mm，d=8mm，t=1mm和d=0.6mm。

圖1 頻率選擇表面單元

利用電磁仿真軟件HFSS場路聯合仿真的方法對單元進行仿真，采用unitcell邊界條件模擬無限大邊界陣列，Floquet端口提供電磁波垂直入射，電場方向與PIN二極管方向平行。圖2給出了所設計的混合型有源頻率選擇表面單元的傳輸特性?？梢钥闯?，在PIN二極管關斷時，該單元在2.45GHz處的透射系數T= -24dB，可認為表現為阻帶特性，即和金屬板一樣對所入射電磁波不能通過該頻率選擇表面；當PIN二極管導通時，該單元在2.45GHz處的透射系數T=0dB，可認為表現為通帶特性，即和空氣一樣即入射電磁波可無損的通過該頻率選擇表面。因此，所設計的混合型頻率選擇表面能夠通過改變PIN二極管的工作狀態，實現在2.45GHz處帶通/帶阻工作狀態的切換。

圖2 頻率選擇表面的透射系數

■1.2 天線結構及工作原理

基于有源頻率選擇表面的波束掃描天線的幾何結構如圖3所示，由一個簡單的單極子天線和10列有源頻率選擇表面組成。單極子天線采用直徑為2mm的金屬柱與底部覆銅的FR4介質板構成，用來充當內部源天線以產生全向輻射波。由于天線最終要完成整個水平面的掃描，因此將10列有源頻率選擇表面構成一個圓柱均勻的分布在單極子天線周圍，其中每列頻率選擇表面是由A部分所設計的4個單元構成。

圖3 基于有源頻率選擇表面的波束掃描天線

該天線的工作機理如下：圓柱型有源頻率選擇表面被分成相等的兩個部分，其中一部分中的所有二極管均導通，將透射單極子所輻射的電磁波；而另一部分中的所有二極管均關斷，將反射單子所輻射的電磁波。因此，單極子輻射的全向波束經過外圍的頻率選擇表面后就成了定向波束。再通過切換每列頻率選擇表面上二極管的工作狀態，該定向波束可以在整個方位面上實現360°掃描特性，從而保證整個水平面的信號覆蓋。

■1.3 天線參數分析

根據天線輻射原理，天線的輻射增益與天線口徑面積有關，而該天線的高度H已經固定，因此整個天線的等效孔徑大小由圓柱半徑R和表現為透射狀態下的頻率選擇表面列數N決定。圖4(a)給出了圓柱半徑R對該波束掃描天線的影響?？梢钥闯?，當圓柱半徑R=43mm時，天線獲得最大的增益。同樣，在圖4(b)中注意到當5列頻率選擇表面的二極被導通時，天線獲取到最大的增益。另外，波束掃描天線的其他參數也被優化以獲得最佳的輻射性能和阻抗特性，最終的參數尺寸分別為H=120mm，R=43mm，H=28mm，和R=25mm。

圖4 關鍵結構參數對天線增益的影響

2 天線仿真結果與測試對比

為驗證波束掃描天線的可行性，制作了天線實物并進行了測試，如圖5所示。 這里使用尼龍柱來單極子固定在圓柱型頻率選擇表面的中心。在每列頻率選擇表面的頂部與底部使用兩條偏置線來為二極管供電，并使用兩個18nH的電感將頻率選擇表面與偏置電源隔離開。天線反射系數由安捷倫的N5230A矢量網絡分析儀測量，輻射方向圖在微波暗室中測量獲得。

圖5 天線實物圖

考慮到天線的幾何對稱性，僅提供在

φ

=0°時的天線反射系數測量結果，如圖6所示。結果表明，仿真結果與實測結果有著很好的吻合度。仿真和實測的天線工作帶寬分別為 14.2% (2.23～2.58GHz)和 13.4% (2.25～2.58GHz)，這部分的差異是由測量誤差引起的。圖7給出了該天線的輻射特性。該天線產生了具有低后瓣特性的定向波束，前后比為15dB，其在E面和H面的波束寬度分別為64°和73°。另外從圖6還可以看出，該天線在其整個工作頻率的增益都大于6dBi，在2.45GHz處的仿真和實測增益分別為8.2dBi和7.95dBi，減少的部分主要是因為二極管和介質板的損耗。圖8給出了天線在H平面不同指向的輻射方向圖，可以看出該天線能完成整個水平面的掃描，并且掃描精度可以達到36°。需要指出的是，該波束掃描天線還可以通過調整每列頻率選擇表面工作狀態來產生多個波束。

圖6 波束掃描天線的反射系數和增益(φ=0°)

圖7 歸一化方向圖

圖8 天線在H面的掃描方向圖

3 結論

本文提出了一種新型的基于有源頻率選擇表面的波束掃描天線，該天線采用單極子天線以降低整個天線剖面高度，設計僅由一個PIN二極管控制的頻率選擇表面單元，減少了天線所用的有源元件數量。通過改變所集成二極管的工作狀態，頻率選擇表面可以在透射與反射之間切換，進而讓由放置在圓柱型頻率選擇表面中間的單極子天線的輻射方向圖由全向轉變為定向，并不斷切換二極管的工作狀態使得波束在整個水平面完成掃描需求。實測結果表明，所設計的波束掃描天線的工作頻率為2.45GHz，主波束可以實現在整個水平面的掃描，掃描精度為36°，并且天線在整個工作頻段內的增益都大于6dBi，峰值增益是7.95dBi。該波束掃描天線可用于智能通信系統中。