引言

隨著無線通信系統(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)天線由于在移動衛(wèi)星通信、軍事戰(zhàn)爭等方面的應(yīng)用需求愈發(fā)強(qiáng)烈，因此對波束可重構(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，可以增強(qiáng)輻射電場，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，近年來國內(nèi)外學(xué)者對波束轉(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]采用一對完全無源的超表面作為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)以改變天線近場的相位分布，使天線波束可以在一個大的錐形區(qū)域內(nèi)(頂角為102°)轉(zhuǎn)向任何方向。2020年，Yang等人[13]通過將液態(tài)金屬注入PRS的特定區(qū)域來控制輻射模式。所設(shè)計天線波束可以在、中切換。采用機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)波束調(diào)控，所設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)簡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)確地對波束實(shí)時進(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)計了加載PIN二極管的可重構(gòu)PRS，通過調(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)計的天線具有良好的動態(tài)散射特性和輻射性能，在雷達(dá)探測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文利用電子技術(shù)設(shè)計了一種新型波束可重構(gòu)F-P諧振腔天線。首先設(shè)計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)計可重構(gòu)PRS，將PRS結(jié)構(gòu)劃分為兩個區(qū)域。通過控制兩個區(qū)域內(nèi)PIN二極管的開/關(guān)(ON/OFF)狀態(tài)以改變口徑面的相位分布，從而對波束進(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）