近年來(lái)，隨著無(wú)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(wú)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(lèi)，一類(lèi)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(guò)元件來(lái)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(lèi)是將控制元件加載在天線的饋網(wǎng)上，通過(guò)控制饋網(wǎng)的工作狀態(tài)來(lái)為天線提供不同形式的激勵(lì)，以此改變天線的極化[2]。其中第二類(lèi)方式可以將控制電路集成在饋電電路中，因此不會(huì)增加天線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

 

Pin 二極管通過(guò)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(kāi)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(lái)控制一組接地電容的引入，當(dāng)接地電容未被引入時(shí)，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(shí)，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(shí)電橋的節(jié)數(shù)也增加了，使其能覆蓋更寬的頻帶。通過(guò)達(dá)索三維全波電磁場(chǎng)仿真工具 CST 對(duì)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(shuō)明建模仿真過(guò)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(duì)應(yīng)中心頻點(diǎn)的介質(zhì)波長(zhǎng)。

 

 

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(shí)，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(huì)有能量從該端口輸出。由于電橋結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，當(dāng)輸入端口換成其他端口時(shí)，也會(huì)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(kāi)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(kāi)時(shí)，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(méi)有輸出。當(dāng) Pin 二極管連通時(shí)，接地電容被引入，電橋相當(dāng)于一個(gè)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(wú)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(chǎng)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(chǎng)仿真工具 CST，版本為 2019 版?？紤]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(shí)域求解器作為求解器。在設(shè)置建模中默認(rèn)的單位時(shí)，長(zhǎng)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(duì)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(guò) Align WCS 將局部坐標(biāo)系 WCS 移動(dòng)至下邊沿的中心處。然后通過(guò)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(guò)孔將電容的一端與地板連接，電容的另一端需要通過(guò) 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(guò)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(huà)出一個(gè)封閉的三角形曲線，通過(guò) extrude 操作將三角形曲線變成一個(gè)三角形的平面。通過(guò)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(duì)于 Pin 二極管，通過(guò)不同的等效電路來(lái)替代二極管導(dǎo)通或者斷開(kāi)的狀態(tài)，如圖 3-3 所示。圖中的集總元件可以通過(guò) 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(lèi)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(shí)，C=0F，R=1.5ohm，而在二極管斷開(kāi)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(lì)源設(shè)置

在建模完畢的情況下，需要設(shè)置激勵(lì)源。使用 Discrete port 進(jìn)行激勵(lì)源設(shè)置，對(duì)于微帶線，我們?cè)诙丝谔幗⒏邽榻橘|(zhì)板厚度，寬為微帶線寬度的矩形。通過(guò)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(lèi)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(duì)二極管的斷開(kāi)狀態(tài)對(duì)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(guò)軟件繪圖，達(dá)索三維全波電磁仿真工具 CST 也支持通過(guò)工具欄中的 Post Processing 中的 Import/Export 導(dǎo)出對(duì)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(duì)二極管的連通狀態(tài)對(duì)電橋進(jìn)行仿真，同樣通過(guò)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(gè)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(lái)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(duì)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(duì) 1.9GHz~2.1GHz 的極化可重構(gòu)天線的饋網(wǎng)設(shè)計(jì)問(wèn)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(guò)設(shè)置對(duì)應(yīng)的集總元件數(shù)值，等效二極管的斷開(kāi)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(huì)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(lái)對(duì)加工誤差的影響進(jìn)行評(píng)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(lái)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(duì)模型進(jìn)行修正，使仿真結(jié)果更加可靠。

 

資料來(lái)源：達(dá)索官方