本文提出了一種新型的混合可重構圓極化天線，該天線在可以分別實現頻率可重構與極化方式可重構。本文主要對其頻率可重構性能進行了驗證。其頻率可重構是通過搭接在中央貼片與外圍方形貼片的4個變容二極管控制的，可以在S波段實現頻率可重構。除去仿真驗證外，本文還采用了ZNB8矢量網絡分析儀對其頻率可重構性能進行了帶電測試驗證，證明了其頻率可重構功能。

Abstract: In this paper, a novel hybrid reconfigurable circularly polarized antenna is proposed, which can be reconstructed in frequency reconfigurable and polarized manner, respectively. This paper also verifies the frequency reconfigurable performance. The frequency reconfiguration is controlled by the four varactor diodes attached to the central patch and the peripheral square patch, enabling frequency reconfiguration in the S-band. In addition, the ZNB8 vector network analyzer is used to verify the frequency reconfigurable performance, and its frequency reconfigurable function is proved.

Key words: Reconfigurable antenna; frequency reconfigurable; live test verification; ZNB8

1. 引言

可重構天線當下能夠細分為頻率可重構，極化方式可重構，輻射方向圖可重構和混合方式可重構這四大基本種類[1]。其中，前3類天線可分別改變頻率、極化方式和輻射方向圖中的一項參數，并使另外兩項參數基本保持不變。而混合方式可重構天線對這3項參數具有獨立調節能力，但由于技術的不成熟性，其設計難度較高。

天線可重構技術這一思想的提出可以追溯到上世紀80年代，Schaubert D等人在他們的發明中提出了頻率可重構天線和極化方式可重構天線設計理念，開啟了天線設計的新篇 章[2]。近年來，因為可重構天線與傳統天線相比具有眾多優勢，所以其獲得了許多新的發展，輻射方向圖可重構天線被設計出來，混合可重構天線也有了初步的發展與設計。我國自開始建設北斗導航系統以來，也對可重構天線進行了一系列的研究，并設計出了一些能用于衛星終端的天線。

由于可重構天線具有許多傳統模式天線無法比擬的優勢，因此近年來這一類天線已經成為各國天線工程師的關注焦點，其功能越來越多，結構越來越新穎。

為了有效驗證天線頻率可重構性能，需要通過測試系統對其不同工作頻率下的S11參數。本文采用了R&S公司的ZNB8矢量網絡分析儀來精準測量可重構天線的S11參數。

2. 可重構天線設計

該節提出了一種頻率極化混合可重構天線，實現了天線頻率和極化獨立可調。天線模型如圖1 (a)所示，上層輻射貼片為方形貼片開槽與外環通過四個變容二極管（SMV1129-079LF）連接，該變容二極管可以在電壓0 V-12 V內實現電容從2 pF到27 pF的變化，外環四周通過47 nH的電感與變容二極管的直流饋線相連；中心開十字槽，實現一定程度的小型化；天線由背面的功分器饋電，饋電網絡為一個具有相位差可重構的威爾金森功分器構成，如圖1 (b)所示，其中控制PIN二極管 (HSMS-2825) 開關通斷情況實現天線饋電處兩端口的相差的改變，從而做到極化重構。功分器的末端為了防止直流偏置對射頻端口影響，添加了一個8 pF的隔直電容保護電路。上層天線位于一個介電為3，厚度為4.5 mm的基板上，中心輻射貼片為中心邊長為22.3 mm的方形貼片中心開十字形槽縫 (長度為10 mm，寬度為0.5 mm)，通過變容二極管與中心貼片連接的是寬度為4 mm的方形金屬框，之間的縫隙為1 mm。下層饋電網絡位于厚度為1.5 mm，邊長為105 mm的方形介質基板上。

圖1 (a)天線俯視圖 (b)功分器結構

天線的極化方式是由電壓V1、V2、V3的大小來控制，當V3＞V2＞V1時，由于二極管具有正向導通、反向截至的特性，功分器左側90°相移連接，右側斷開，從而使得兩個端口相差為90°，反之V1＞V2＞V3相差-90°，從而實現兩種圓極化的切換。

在V1＞V2＞V3情況下，天線為右旋圓極化，通過控制上層偏壓，使變容二極管在2pF-10pF之間變化，天線諧振頻率可以在2.38 GHz-2.5 0GHz變化，并且可以始終保持圓極化，天線的實物加工圖如圖2所示。

圖2 實物加工圖

3. 仿真與測量結果

本次主要通過R&S公司的ZNB8矢量網絡分析儀來測試不同工作狀態下的S11參數，驗證設計天線的頻率可重構性能。

在V1＞V2＞V3情況下，天線為右旋圓極化，通過控制上層偏壓，使變容二極管在2pF-10pF之間變化，天線的S11仿真結果如圖3所示，可以看出天線諧振頻率在2.38 GHz-2.50 GHz變化，天線的軸比在諧振頻率范圍內始終小于3 dB。

圖3 天線S(1,1) 參數仿真結果

ZNB8矢量網絡分析儀可以在30 V的直流電壓下對天線進行測試，因此可以用于加電測試本天線的頻率可重構性能。

ZNB8矢量網絡分析儀測試的天線在1.5V,3V,6V,9V,12V對應的工作狀態如圖4所示。不同電壓對應的頻率見表1。可以看出，天線在不同狀態下可以在不同頻率可重構。

圖4 天線S(1,1)參數測量結果

表1 天線在不同電壓下對應的頻率

4. 結束語

通過仿真與實測的驗證，對該混合可重構天線的頻率可重構進行了驗證，可以看出由于手工焊接以及連接線連接過程中對天線組裝的影響。以及四個變容二極管的不一致性，導致天線諧振頻率出現一定程度的偏移，但是仍可以看到隨著直流偏置電壓的變化下，天線諧振頻率變化的趨勢。ZNB8矢量網絡分析儀在帶電情況下依舊非常精準，在驗證過程中起到了很重要的作用。