近年來，隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，各種各樣的技術(shù)在不同的通信領(lǐng)域得以應(yīng)用。極化可重構(gòu)天線由于可以實(shí)現(xiàn)極化捷變，在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中引起廣泛關(guān)注。相較于常規(guī)固定極化的天線，極化可重構(gòu)天線可以有效的避免極化失配，減少信道干擾，并且提高系統(tǒng)的性能。

 

實(shí)現(xiàn)極化可重構(gòu)天線的方式基本上分為兩類，一類是將 Pin 二極管、單刀雙擲和單刀多擲等控制元件集成在天線上，通過元件來改變分布在天線上的電流形式，以此改變輻射電磁波的極化狀態(tài)[1]。另一類是將控制元件加載在天線的饋網(wǎng)上，通過控制饋網(wǎng)的工作狀態(tài)來為天線提供不同形式的激勵，以此改變天線的極化[2]。其中第二類方式可以將控制電路集成在饋電電路中，因此不會增加天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

 

Pin 二極管通過控制兩端的偏置電壓，可以展現(xiàn)出不同的電路性能。這種電控的方式使得 Pin 二極管作為開關(guān)具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。而電橋由于其可以在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 90 度輸出相位差的特性，因此適合作為雙線極化天線的饋電網(wǎng)絡(luò)使天線能夠以圓極化的狀態(tài)工作。

 

而本次設(shè)計(jì)的饋網(wǎng)就是選擇使用加載 Pin 二極管的電橋，作為可重構(gòu)饋網(wǎng)為后續(xù)天線的設(shè)計(jì)提供便利。本次設(shè)計(jì)的天線工作于 1.9GHz~2.1GHz 之間。本次設(shè)計(jì)中采用 Pin 二極管來控制一組接地電容的引入，當(dāng)接地電容未被引入時，電橋作為直通狀態(tài)工作，輸入的能量全部從直通端口流出。當(dāng)接地電容被引入時，電橋作為功分狀態(tài)工作，輸入的能量從耦合端口和直通端口輸出，輸出的幅度相等，相位相差 90 度。同時電橋的節(jié)數(shù)也增加了，使其能覆蓋更寬的頻帶。通過達(dá)索三維全波電磁場仿真工具 CST 對根據(jù)具體設(shè)計(jì)指標(biāo)所設(shè)計(jì)的電橋進(jìn)行仿真并改進(jìn)。本文將詳細(xì)說明建模仿真過程。

 

2 可重構(gòu)電橋設(shè)計(jì)概述

2.1 電橋結(jié)構(gòu)概述

本次設(shè)計(jì)的電橋以 90 度電橋作為基本的結(jié)構(gòu)形式，如圖 2-1 所示。圖中特性阻抗 Z0 通常為 50ohm，λg對應(yīng)中心頻點(diǎn)的介質(zhì)波長。

 

 

圖 2-1. 90 度電橋基本結(jié)構(gòu)示意圖

 

當(dāng) 1 端口作為輸入端口時，2 端口和 3 端口作為輸出端口，輸出幅度相等，相位相差 90°，而 4 端口作為隔離端口，幾乎不會有能量從該端口輸出。由于電橋結(jié)構(gòu)的對稱性，當(dāng)輸入端口換成其他端口時，也會有一樣的傳輸特性。因此電橋的 S 矩陣可以表示為：

 

 

 

圖 2-2 為本文中可重構(gòu)電橋原理圖。利用 Pin 二極管的連通和斷開狀態(tài)，選擇性地將接地電容引入或者分離。當(dāng) Pin 二極管斷開時，接地電容未被引入。由端口 1 輸入的功率幾乎全部從端口 3 輸出，輸出端口 2和隔離端口 4 沒有輸出。當(dāng) Pin 二極管連通時，接地電容被引入，電橋相當(dāng)于一個常規(guī)的 3dB 耦合器在工作。

 

由端口 1 輸入的功率被平等地分配到了 2 端口和 3 端口，并且輸出端口間有 90 度的相位差。隔離端口 4 無輸出。

 

 

圖 2-2 可重構(gòu)電橋原理圖

 

3 電橋具體建模和參數(shù)設(shè)置

本次設(shè)計(jì)的加載 Pin 二極管的可重構(gòu)電橋的模型，使用達(dá)索三維全波電磁場仿真工具 CST 進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，天線的總尺寸為 130mm*70mm*0.762mm，工作頻率范圍為 1.9GHz~2.1GHz。

 

3.1 電橋具體建模操作

本次建模采用的是達(dá)索三維全波電磁場仿真工具 CST，版本為 2019 版。考慮到本次建模為微帶形式的電橋，因此，選擇 CST 工具中的 MWs 工作室中 Circuit & Components 中的 Planar Couplers & Dividers 進(jìn)行建模。本次所設(shè)計(jì)的電橋帶寬是 1.9~2.1GHz 頻段，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇時域求解器作為求解器。在設(shè)置建模中默認(rèn)的單位時，長度單位設(shè)置為 mm，頻率設(shè)置為 GHz。

 

本次設(shè)計(jì)的電橋介質(zhì)基板采用相對介電常數(shù)為 3 的 RO3003，厚度為 0.762mm，選中工作欄中的 Brick 選項(xiàng)并設(shè)置相關(guān)參數(shù)完成介質(zhì)基板的建模。然后選中上表面的下邊沿中心處并 Local WCS，通過 Align WCS 將局部坐標(biāo)系 WCS 移動至下邊沿的中心處。然后通過工作欄中的 Brick 選項(xiàng)，輸入相關(guān)參數(shù)完成電橋中各段微帶線的建模操作，基礎(chǔ)電橋圖像如圖 3-1 所示，電橋的階數(shù)為 4 階。

 

 

圖 3-1. 電橋基礎(chǔ)微帶線示意圖

 

然后是在之前模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行接地電容的建模，選擇電橋中心位置的兩側(cè)，建立交織線形式的分布電容，并用金屬化過孔將電容的一端與地板連接，電容的另一端需要通過 Pin 二極管與電橋相連，因此需要提前預(yù)留出一定的空間。具體分布電容模型的建立也是通過工具欄中的 Brick 操作生成交織線中基礎(chǔ)的矩形條帶，連接段的三角形部分則是用 Curve 操作中的 line 畫出一個封閉的三角形曲線，通過 extrude 操作將三角形曲線變成一個三角形的平面。通過布爾操作的 Add 操作，上面的所有結(jié)構(gòu)可以與基礎(chǔ)的電橋模型相連，最終電橋的圖像如圖 3-2 所示。

 

 

圖 3-2. 加載 Pin 二極管后的電橋

 

而對于 Pin 二極管，通過不同的等效電路來替代二極管導(dǎo)通或者斷開的狀態(tài)，如圖 3-3 所示。圖中的集總元件可以通過 Lumped Element 操作設(shè)定，選定預(yù)留給二極管的區(qū)域兩側(cè)模型的邊緣，即可定位二極管等效電路的加載位置。類型中選擇 RLC Parallel，R 和 C 均設(shè)為變量，在二極管連通狀態(tài)時，C=0F，R=1.5ohm，而在二極管斷開狀態(tài)，C=1.5e-13F，R=5000ohm。

 

 

圖 3-3. 下表面異形地板示意圖

 

3.2 激勵源設(shè)置

在建模完畢的情況下，需要設(shè)置激勵源。使用 Discrete port 進(jìn)行激勵源設(shè)置，對于微帶線，我們在端口處建立高為介質(zhì)板厚度，寬為微帶線寬度的矩形。通過選定矩形的上邊緣與下邊緣，可以定位端口的位置，使端口的電流方向垂直于地板。端口類型選擇 S-Parameter，阻抗設(shè)為 50ohm。

 

3.3 天線其他條件設(shè)置

本文設(shè)計(jì)天線工作頻率范圍為 1.9GHz~2.1GHz 之間，所以設(shè)置 CST 仿真頻率范圍為 1.7GHz~2.3GHz，background 設(shè)置為 Normal，邊界條件設(shè)置為 open(add space)，求解器的網(wǎng)格設(shè)置為 Hexahedral，準(zhǔn)確值設(shè)定為-40dB。

 

4 仿真結(jié)果導(dǎo)出與分析

第一步的仿真是對二極管的斷開狀態(tài)對電橋進(jìn)行仿真。需要關(guān)注的是 S 參數(shù)的分析，除了通過軟件繪圖，達(dá)索三維全波電磁仿真工具 CST 也支持通過工具欄中的 Post Processing 中的 Import/Export 導(dǎo)出對應(yīng)的 Snp 文件格式的 S 參數(shù)矩陣，并進(jìn)行保存。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入 origin 繪圖軟件中即可根據(jù)需求繪制出相應(yīng)的曲線，如圖 4-1 所示。圖中的 S 參數(shù)顯示回波損耗從大約 1.9GHz 到 2.1GHz 的曲線均處于-25dB 以下，隔離度也大于 25dB符合設(shè)計(jì)要求，電橋可以令雙線極化天線天線以原本的極化狀態(tài)工作。

 

 

圖 4-1. 仿真的 S 參數(shù)曲線

 

第二步的仿真是對二極管的連通狀態(tài)對電橋進(jìn)行仿真，同樣通過導(dǎo)出 S 參數(shù)矩陣，在 origin 中繪制了相應(yīng)的曲線，如圖 4-2、圖 4-3 和圖 4-4 所示。在圖 4-2 中可以看出，回波損耗在-22dB 以下，隔離度也在 22dB以上。在圖 4-3 中可以看出，兩個輸出端口的傳輸系數(shù)幅度相近，最大的幅度差相差為 0.5dB。在圖 4-4 中可以看出，輸出的相位差也接近 90 度。綜合來看，電橋良好的功率分配比以及相位差可以令雙線極化天線天線以一對正交的雙圓極化狀態(tài)工作。

 

 

圖 4-2. 仿真的 S 參數(shù)曲線

 

 

圖 4-3. 仿真的傳輸系數(shù)

 

 

圖 4-3. 輸出端口間的相位差

 

5 結(jié)論

本文以達(dá)索三維全波電磁仿真工具 CST 為載體，針對 1.9GHz~2.1GHz 的極化可重構(gòu)天線的饋網(wǎng)設(shè)計(jì)問題，在電磁 MWs 工作室中，建立了模擬加載 Pin 二極管的可重構(gòu)電橋的仿真模型。通過設(shè)置對應(yīng)的集總元件數(shù)值，等效二極管的斷開與連通狀態(tài)，仿真出電橋?qū)?yīng)天線不同極化狀態(tài)的回波損耗、傳輸系數(shù)與隔離度。

 

在后續(xù)的工作中需要注意的是，仿真結(jié)果是基于理想模型下得到的，在實(shí)際加工中由于二極管的分布參數(shù)影響以及加工的誤差影響，會存在一定的誤差。在電磁仿真領(lǐng)域的后續(xù)研究中，我們可以將加工的誤差考慮到仿真模型中來對加工誤差的影響進(jìn)行評估，以及將二極管的等效電路作進(jìn)一步的完善。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在未來的工作中，我們需要建立更加貼近加工實(shí)物的模型，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)一步步對模型進(jìn)行修正，使仿真結(jié)果更加可靠。

 

資料來源：達(dá)索官方