近年来，随着无线通信技术的飞速发展，各种各样的技术在不同的通信领域得以应用。极化可重构天线由于可以实现极化捷变，在现代无线通信系统中引起广泛关注。相较于常规固定极化的天线，极化可重构天线可以有效的避免极化失配，减少信道干扰，并且提高系统的性能。

 

实现极化可重构天线的方式基本上分为两类，一类是将 Pin 二极管、单刀双掷和单刀多掷等控制元件集成在天线上，通过元件来改变分布在天线上的电流形式，以此改变辐射电磁波的极化状态[1]。另一类是将控制元件加载在天线的馈网上，通过控制馈网的工作状态来为天线提供不同形式的激励，以此改变天线的极化[2]。其中第二类方式可以将控制电路集成在馈电电路中，因此不会增加天线结构的复杂性。

 

Pin 二极管通过控制两端的偏置电压，可以展现出不同的电路性能。这种电控的方式使得 Pin 二极管作为开关具有响应速度快的特点。而电桥由于其可以在宽带范围内实现 90 度输出相位差的特性，因此适合作为双线极化天线的馈电网络使天线能够以圆极化的状态工作。

 

而本次设计的馈网就是选择使用加载 Pin 二极管的电桥，作为可重构馈网为后续天线的设计提供便利。本次设计的天线工作于 1.9GHz~2.1GHz 之间。本次设计中采用 Pin 二极管来控制一组接地电容的引入，当接地电容未被引入时，电桥作为直通状态工作，输入的能量全部从直通端口流出。当接地电容被引入时，电桥作为功分状态工作，输入的能量从耦合端口和直通端口输出，输出的幅度相等，相位相差 90 度。同时电桥的节数也增加了，使其能覆盖更宽的频带。通过达索三维全波电磁场仿真工具 CST 对根据具体设计指标所设计的电桥进行仿真并改进。本文将详细说明建模仿真过程。

 

2 可重构电桥设计概述

2.1 电桥结构概述

本次设计的电桥以 90 度电桥作为基本的结构形式，如图 2-1 所示。图中特性阻抗 Z0 通常为 50ohm，λg对应中心频点的介质波长。

 

 

图 2-1. 90 度电桥基本结构示意图

 

当 1 端口作为输入端口时，2 端口和 3 端口作为输出端口，输出幅度相等，相位相差 90°，而 4 端口作为隔离端口，几乎不会有能量从该端口输出。由于电桥结构的对称性，当输入端口换成其他端口时，也会有一样的传输特性。因此电桥的 S 矩阵可以表示为：

 

 

 

图 2-2 为本文中可重构电桥原理图。利用 Pin 二极管的连通和断开状态，选择性地将接地电容引入或者分离。当 Pin 二极管断开时，接地电容未被引入。由端口 1 输入的功率几乎全部从端口 3 输出，输出端口 2和隔离端口 4 没有输出。当 Pin 二极管连通时，接地电容被引入，电桥相当于一个常规的 3dB 耦合器在工作。

 

由端口 1 输入的功率被平等地分配到了 2 端口和 3 端口，并且输出端口间有 90 度的相位差。隔离端口 4 无输出。

 

 

图 2-2 可重构电桥原理图

 

3 电桥具体建模和参数设置

本次设计的加载 Pin 二极管的可重构电桥的模型，使用达索三维全波电磁场仿真工具 CST 进行仿真设计，天线的总尺寸为 130mm*70mm*0.762mm，工作频率范围为 1.9GHz~2.1GHz。

 

3.1 电桥具体建模操作

本次建模采用的是达索三维全波电磁场仿真工具 CST，版本为 2019 版?？悸堑奖敬谓Ｎ⒋问降牡缜?，因此，选择 CST 工具中的 MWs 工作室中 Circuit & Components 中的 Planar Couplers & Dividers 进行建模。本次所设计的电桥带宽是 1.9~2.1GHz 频段，根据经验，选择时域求解器作为求解器。在设置建模中默认的单位时，长度单位设置为 mm，频率设置为 GHz。

 

本次设计的电桥介质基板采用相对介电常数为 3 的 RO3003，厚度为 0.762mm，选中工作栏中的 Brick 选项并设置相关参数完成介质基板的建模。然后选中上表面的下边沿中心处并 Local WCS，通过 Align WCS 将局部坐标系 WCS 移动至下边沿的中心处。然后通过工作栏中的 Brick 选项，输入相关参数完成电桥中各段微带线的建模操作，基础电桥图像如图 3-1 所示，电桥的阶数为 4 阶。

 

 

图 3-1. 电桥基础微带线示意图

 

然后是在之前模型的基础上进行接地电容的建模，选择电桥中心位置的两侧，建立交织线形式的分布电容，并用金属化过孔将电容的一端与地板连接，电容的另一端需要通过 Pin 二极管与电桥相连，因此需要提前预留出一定的空间。具体分布电容模型的建立也是通过工具栏中的 Brick 操作生成交织线中基础的矩形条带，连接段的三角形部分则是用 Curve 操作中的 line 画出一个封闭的三角形曲线，通过 extrude 操作将三角形曲线变成一个三角形的平面。通过布尔操作的 Add 操作，上面的所有结构可以与基础的电桥模型相连，最终电桥的图像如图 3-2 所示。

 

 

图 3-2. 加载 Pin 二极管后的电桥

 

而对于 Pin 二极管，通过不同的等效电路来替代二极管导通或者断开的状态，如图 3-3 所示。图中的集总元件可以通过 Lumped Element 操作设定，选定预留给二极管的区域两侧模型的边缘，即可定位二极管等效电路的加载位置。类型中选择 RLC Parallel，R 和 C 均设为变量，在二极管连通状态时，C=0F，R=1.5ohm，而在二极管断开状态，C=1.5e-13F，R=5000ohm。

 

 

图 3-3. 下表面异形地板示意图

 

3.2 激励源设置

在建模完毕的情况下，需要设置激励源。使用 Discrete port 进行激励源设置，对于微带线，我们在端口处建立高为介质板厚度，宽为微带线宽度的矩形。通过选定矩形的上边缘与下边缘，可以定位端口的位置，使端口的电流方向垂直于地板。端口类型选择 S-Parameter，阻抗设为 50ohm。

 

3.3 天线其他条件设置

本文设计天线工作频率范围为 1.9GHz~2.1GHz 之间，所以设置 CST 仿真频率范围为 1.7GHz~2.3GHz，background 设置为 Normal，边界条件设置为 open(add space)，求解器的网格设置为 Hexahedral，准确值设定为-40dB。

 

4 仿真结果导出与分析

第一步的仿真是对二极管的断开状态对电桥进行仿真。需要关注的是 S 参数的分析，除了通过软件绘图，达索三维全波电磁仿真工具 CST 也支持通过工具栏中的 Post Processing 中的 Import/Export 导出对应的 Snp 文件格式的 S 参数矩阵，并进行保存。将数据导入 origin 绘图软件中即可根据需求绘制出相应的曲线，如图 4-1 所示。图中的 S 参数显示回波损耗从大约 1.9GHz 到 2.1GHz 的曲线均处于-25dB 以下，隔离度也大于 25dB符合设计要求，电桥可以令双线极化天线天线以原本的极化状态工作。

 

 

图 4-1. 仿真的 S 参数曲线

 

第二步的仿真是对二极管的连通状态对电桥进行仿真，同样通过导出 S 参数矩阵，在 origin 中绘制了相应的曲线，如图 4-2、图 4-3 和图 4-4 所示。在图 4-2 中可以看出，回波损耗在-22dB 以下，隔离度也在 22dB以上。在图 4-3 中可以看出，两个输出端口的传输系数幅度相近，最大的幅度差相差为 0.5dB。在图 4-4 中可以看出，输出的相位差也接近 90 度。综合来看，电桥良好的功率分配比以及相位差可以令双线极化天线天线以一对正交的双圆极化状态工作。

 

 

图 4-2. 仿真的 S 参数曲线

 

 

图 4-3. 仿真的传输系数

 

 

图 4-3. 输出端口间的相位差

 

5 结论

本文以达索三维全波电磁仿真工具 CST 为载体，针对 1.9GHz~2.1GHz 的极化可重构天线的馈网设计问题，在电磁 MWs 工作室中，建立了模拟加载 Pin 二极管的可重构电桥的仿真模型。通过设置对应的集总元件数值，等效二极管的断开与连通状态，仿真出电桥对应天线不同极化状态的回波损耗、传输系数与隔离度。

 

在后续的工作中需要注意的是，仿真结果是基于理想模型下得到的，在实际加工中由于二极管的分布参数影响以及加工的误差影响，会存在一定的误差。在电磁仿真领域的后续研究中，我们可以将加工的误差考虑到仿真模型中来对加工误差的影响进行评估，以及将二极管的等效电路作进一步的完善。为了实现这一目标，在未来的工作中，我们需要建立更加贴近加工实物的模型，根据工程实践经验一步步对模型进行修正，使仿真结果更加可靠。

 

资料来源：达索官方