《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于可重構(gòu)PRS的一維電子波束轉(zhuǎn)向Fabry-Perot天線設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
張海燕，石喜玲，高麗珍，趙俊梅
中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院
摘要： 設(shè)計(jì)了一種具有一維電子波束轉(zhuǎn)向的新型Fabry-Perot（F-P）諧振腔天線。該天線由同軸探針饋電的方形微帶貼片天線作為輻射源，并采用加載PIN二極管的可重構(gòu)部分反射表面（Partially Reflective Surface， PRS）實(shí)現(xiàn)波束轉(zhuǎn)向。所設(shè)計(jì)的可重構(gòu)PRS由6×6個(gè)花瓣型單元組成，并均分為相等的兩部分Part 1和Part 2，分別由兩個(gè)控制信號(hào)獨(dú)立控制，因此可以有選擇地調(diào)節(jié)每部分PIN二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。所設(shè)計(jì)的天線具有三種不同的輻射模式。測(cè)量結(jié)果表明，天線主波束能夠在+9°、0°、-9°三種離散狀態(tài)下自由切換。所有狀態(tài)下重疊的阻抗帶寬（|S_11 |<-10 dB）為5.5% （5.43~5.74 GHz），最大增益達(dá)到14.2 dBi。
中圖分類號(hào)：TN823+.27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245194
中文引用格式： 張海燕，石喜玲，高麗珍，等. 基于可重構(gòu)PRS的一維電子波束轉(zhuǎn)向Fabry-Perot天線設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(9)：52-58.
英文引用格式： Zhang Haiyan，Shi Xiling，Gao Lizhen，et al. Design of one-dimensional electronic beam-steering Fabry-Perot antenna based on reconfigurable PRS[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(9)：52-58.
Design of one-dimensional electronic beam-steering Fabry-Perot antenna based on reconfigurable PRS
Zhang Haiyan，Shi Xiling，Gao Lizhen，Zhao Junmei
School of Electrical and Control Engineering， North University of China
Abstract： In this paper, a novel Fabry-Perot (F-P) resonator antenna with one-dimensional electronic beam-steering is designed. The antenna uses a square microstrip patch antenna fed by a coaxial probe as the radiator, and uses a reconfigurable partially reflective surface (PRS) loaded with PIN diodes to realize beam-steering. The designed reconfigurable PRS consists of 6×6 petal-type unit cells that are divided into two equal parts, Part 1 and Part 2, which are independently controlled by two control signals. Therefore, the switching state of each part of the PIN diode can be selectively adjusted. The designed antenna has three different radiation modes. The proposed antenna is designed and measured, and the measurement results show that the main beam of the antenna can be switched freely in +9°, 0° and -9° discrete states. The overlap impedance bandwidth (|S_11 |<-10 dB) in all states is 5.5% (5.43~5.74 GHz), with a maximum gain of 14.2 dBi.
Key words : Fabry-Perot （F-P） resonator antenna；electronic beam-steering；reconfigurable PRS；PIN diodes；discrete states

引言

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，現(xiàn)代天線研究正朝著多功能、高度集成化、智能化方向發(fā)展[1]。一些傳統(tǒng)天線僅具有固定的工作性能，已不能滿足復(fù)雜的通信系統(tǒng)和多任務(wù)處理的需求。由于這一問(wèn)題，多功能可重構(gòu)天線引起了研究者的廣泛關(guān)注[2-4]。早在1983年，Schaubert等人就提出了可重構(gòu)天線的概念[5]。而波束可重構(gòu)天線由于在移動(dòng)衛(wèi)星通信、軍事戰(zhàn)爭(zhēng)等方面的應(yīng)用需求愈發(fā)強(qiáng)烈，因此對(duì)波束可重構(gòu)天線的研究顯得更加迫切和重要。 Fabry-Perot(F-P)諧振腔天線因其具有高增益、低剖面、饋電方式簡(jiǎn)單、低成本等特性而備受關(guān)注[6-11]。它通常由輻射饋源、接地板和部分反射表面(Partially Reflective Surface, PRS)三部分組成，從饋源發(fā)射出的電磁波在腔體內(nèi)不斷反射和傳輸，根據(jù)射線理論，當(dāng)透射出PRS的射線全部同相時(shí)，可以增強(qiáng)輻射電場(chǎng)，從而獲得高增益特性。除了高增益特性外，波束轉(zhuǎn)向能力也是F-P天線的一個(gè)特別有用的特性。它可以提高系統(tǒng)容量和天線的利用效率，并擴(kuò)大電磁輻射區(qū)域范圍。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)波束轉(zhuǎn)向的F-P諧振腔天線進(jìn)行了一系列研究[12-15]。

目前，最常用的波束控制方式包括機(jī)械調(diào)控和電子控制技術(shù)。機(jī)械調(diào)控技術(shù)是指相對(duì)天線中心軸機(jī)械旋轉(zhuǎn)PRS或?qū)⒁簯B(tài)金屬注入天線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波束可重構(gòu)。例如，2017年，Afzal等人[12]采用一對(duì)完全無(wú)源的超表面作為F-P諧振腔天線的PRS，它們圍繞天線軸獨(dú)立或同步旋轉(zhuǎn)以改變天線近場(chǎng)的相位分布，使天線波束可以在一個(gè)大的錐形區(qū)域內(nèi)(頂角為102°)轉(zhuǎn)向任何方向。2020年，Yang等人[13]通過(guò)將液態(tài)金屬注入PRS的特定區(qū)域來(lái)控制輻射模式。所設(shè)計(jì)天線波束可以在、中切換。采用機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)波束調(diào)控，所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且不需要任何偏置網(wǎng)絡(luò)，但機(jī)械方式較難快速而又準(zhǔn)確地對(duì)波束實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)控。電子技術(shù)在提供快速切換和可重構(gòu)性方面非常有效。2022年，悉尼大學(xué)Huang等人[14]設(shè)計(jì)了加載PIN二極管的可重構(gòu)PRS，通過(guò)調(diào)節(jié)PRS上每列單元中二極管參數(shù)，獲得了7種工作模式，天線波束在仰角平面上分別偏轉(zhuǎn)0°、、。2022年，Zhang等人[15]提出了一種具有可重構(gòu)散射波束的高增益F-P諧振腔天線。該天線利用加載在有源超表面上的變?nèi)荻O管，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的散射波束。通過(guò)控制二極管電容，天線散射波束重構(gòu)的角度域?yàn)?40°~40°。所設(shè)計(jì)的天線具有良好的動(dòng)態(tài)散射特性和輻射性能，在雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文利用電子技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型波束可重構(gòu)F-P諧振腔天線。首先設(shè)計(jì)了一種花瓣型單元結(jié)構(gòu)，在單元中引入PIN二極管進(jìn)行電子調(diào)諧，單元具有兩種不同反射相位狀態(tài)。其次，以該單元組成6×6陣列設(shè)計(jì)可重構(gòu)PRS，將PRS結(jié)構(gòu)劃分為兩個(gè)區(qū)域。通過(guò)控制兩個(gè)區(qū)域內(nèi)PIN二極管的開(kāi)/關(guān)(ON/OFF)狀態(tài)以改變口徑面的相位分布，從而對(duì)波束進(jìn)行調(diào)節(jié)。


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作者信息：

張海燕，石喜玲，高麗珍，趙俊梅

（中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051）


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