目前，极化分集技术在无线通信系统中占有重要地位。极化分集技术可以节省频带资源，提高信道容量、对抗信道衰落^[1]。极化可重构天线可以方便地改变极化特性。圆极化与线极化方式相比，在抗极化旋转、抗干扰以及抗多径效应等方面具有突出的优势^[2]。因此，可重构圆极化天线非常适合于极化分集技术。近些年，有许多用于极化分集的可重构微带天线被广泛研究^[3-8]。常见的方法是使用射频开关来重构辐射单元。射频开关的偏置线直接连接到辐射单元上，会对天线的辐射性能产生影响^[3-5]。另一种可行的实现方法是重构天线的馈电结构^[6-9]。本文提出了一种采用渐变的Y形馈线的极化可重构圆形贴片天线。该天线利用直接馈电和耦合馈电2种方式之间存在的相位差来实现天线的圆极化，辐射贴片和馈线之间连接2个PIN二极管作为开关，通过偏置电压来控制二极管的通断，实现天线的可重构。文中分析了天线的工作机理，给出了天线的结构和参数，以及仿真和测量的结果。该天线结构简单紧凑，便于加工，在无线通信和无线能量传输等领域具有潜在应用价值^[10-12]。

1 天线设计及原理

常见的微带贴片天线的馈电结构可以分为直接馈电和耦合馈电，本文提出的天线将这2种馈电方式相结合，利用两者之间产生的相位差，来实现天线的圆极化。该天线的辐射单元为圆形贴片，Y形馈线的2条分支成圆弧形，辐射贴片和馈线之间存在一个缝隙。当辐射贴片与馈线的一侧分支连通时为直接馈电，另外一侧为耦合馈电。通常耦合馈电的电流与直接馈电的电流存在相位滞后。通过调节辐射贴片与馈线连接点的位置，使相位差接近90°，就可以使天线实现良好的圆极化特性。

通过仿真发现：当辐射贴片与馈线左侧分支连通，且连接点与圆心的连线和天线的中轴线成接近45°角时，天线的极化方式为左旋圆极化。由于天线为左右对称结构，当辐射贴片与右侧分支连接时，天线的极化方式则为右旋圆极化；当馈线的2条分支都不与辐射贴片直接连接时，天线的馈电方式为耦合馈电，极化方式则为线极化。

基于PIN二极管控制馈线与辐射贴片的连接，利用其开关特性，就可以实现天线极化的可重构。通过偏置电路控制PIN二极管的通断，就可以改变天线的极化。由于辐射贴片中心处的电流很弱，所以可以在此处插入一个金属化过孔，方便偏置电路的实现。偏置电路由四分之波长的奇数倍的高阻抗线和一个等效为接地电容的贴片组成，不影响天线馈线的阻抗^[13]。

为了减小馈线和偏置电路对辐射单元的影响，在馈线两边对称地设置了2个金属地，使天线具有更好的辐射性能。

2 天线结构与仿真

对天线进行仿真和优化后得到其正面的结构和具体尺寸如图1所示。馈线的输入阻抗为50 Ω，在馈线中部有一个宽度为0.7 mm的缝隙，在此处插入了一个27 pF的贴片电容用来将直流和射频隔开。分支的宽度逐渐变窄，可以更好地实现阻抗匹配。

辐射贴片和馈线之间的距离为1 mm，在缝隙中插入2个方向相反的PIN二极管，二极管所在的位置和圆心的连线与天线的中轴线成45°角。当一个二极管处于导通状态，另一个处于截止状态时，就会构成一个不对称的馈电结构，此时天线工作在圆极化模式；而当2个PIN二极管都处于截止状态时，天线的电流分布左右对称，工作在线极化状态。本文使用的PIN二极管的型号为SMP1345，正向导通电压为0.89 V。天线的工作模式与其所对应的偏置电压和二极管状态如表1所示。

当PIN二极管# 1处于导通状态时，# 2处于截止状态，圆形贴片与Y形馈线的左侧分支线直接连通，与右侧分支线耦合，这2种馈电结构存在相位差，使天线处于不对称的状态，在这种情况下电流顺时针旋转，天线工作在左旋圆极化模式，贴片和Y形馈线的面电流分布如图2所示。当PIN二极管# 1处于截止状态，# 2处于导通状态时，圆形贴片与Y形馈线的右侧分支线直接连通，这时电流逆时针旋转，天线工作在右旋圆极化模式。当 # 1和# 2均处于截止状态时，圆形贴片上的面电流分布左右对称，天线工作在线极化模式。

3 测试结果对比与分析

天线实物图如图3所示，采用相对介电常数为4.4、厚度为1.6 mm的FR4介质板加工。天线尺寸为70 mm×75 mm，圆形贴片的半径为16 mm。天线的S参数测试使用Agilent矢量网络分析仪，轴比和方向图测试使用近场天线测试仪RFxpert和微波暗室。

天线工作在圆极化模式时的S参数仿真和测量结果对比如图4所示。由于该天线结构对称，所以当天线在左旋或右旋圆极化模式下工作时，会得到相似的反射系数，实测10 dB回波损耗的相对带宽约为6.6%。轴比的仿真和测量结果对比如图5所示，实测3 dB轴比的相对带宽约为1.2%。

在2.53 GHz时测得的右旋圆极化的轴比的最小值约为0.2 dB，此时测得左旋圆极化的轴比约为1.1 dB，这可能是由天线的加工误差导致天线的结构不完全对称引起的。天线在2.53 GHz下的仿真和测量的二维方向图如图6所示，当天线在左旋和右旋圆极化模式下工作时，峰值增益的测量值均约为2.8 dBi。天线放置方向的xz面和yz面如图1所示。

天线工作在线极化模式时的S参数仿真和测量结果对比如图7所示，实测10 dB回波损耗的相对带宽约为1.5%。在2.56 GHz下的仿真和测量的二维方向图如图8所示，xz面为天线的E面，峰值增益的测量值约为2.7 dBi。从仿真和测量的结果可以看出，2个PIN二极管的开关状态的切换可以实现天线的极化重构。各个状态下的仿真与测量结果基本吻合。

4 结论

本文设计了一种S波段的极化可重构圆形贴片天线。

1）将直接馈电和耦合馈电2种方式相融合，设计了一种Y形馈电结构的S波段贴片天线，实现了天线的圆极化馈线的2条分支成圆弧形，宽度逐渐变窄，可以更好地实现阻抗匹配。在馈线的两侧加上金属地结构，用来减小馈线和偏置线对辐射贴片的影响。

2）通过偏置电压来控制2个PIN二极管的通断，实现天线在左旋、右旋圆极化和线极化3种模式之间的切换。

3）该天线在工作频带内，具有良好的辐射特性，结构简单紧凑，便于加工，在通信、雷达和无线能量传输等领域具有潜在应用价值。