1. 引言
随着通信技术的不断发展，太赫兹频段作为一种新兴的无线通信频段，展现出了广阔的应用前景。普遍认为，太赫兹波段的频率范围在0.1 THz到10 THz之间，具有较高的数据传输速率和较好的穿透能力，适用于高速通信、成像和传感等领域[1]。近些年，可重构技术取得了重大进展，根据天线可重构的性能对象，主要分为频率可重构天线、极化可重构天线和方向图可重构天线[2]。方向图可重构天线可以在单个天线上实现波束扫描功能，通过电子或光学器件的开关效应改变辐射贴片的等效形状，或者馈电网络的结构，从而改变辐射波束指向[3]。为适应民用、军用卫星通信、雷达探测的不同部署环境射频前端应用，波束扫描天线具有重要的研究价值，太赫兹电磁波可以穿透大气层中高速飞行器表面的等离子鞘的特性使其在星间，星地通信中具有广泛的应用需求。而对于太赫兹波段，受到微纳加工技术的发展限制，目前尚不支持小尺寸大规模集成天线阵列及T/R组件的集成，方向图可重构天线作为替代的解决方案，结合先进微纳技术实现高指向性方向图可重构天线必将成为未来研究者们的关注方向。
目前针对方向图可重构天线的研究主要针对毫米波波段，通过改变开关辐射体结构、改变馈电网络构型、寄生单元等方法调控波束。文献[4]中，采用对数螺旋天线实现波束调控，实现了在垂直倾角θ = 49˚的平面上进行四种波束转向状态；文献[5]中利用石墨烯作为开关的八木微带天线在方位面(θ = 90˚)实现了波束转向；文献[6]中的平面天线应用二极管开关可以在一种全向模式和两种方位面单向模式之间切换；文献[7]提出了一种低轮廓可切换三种状态的方向图可重构天线；文献[8]中将四个端射天线单元与二极管开关结合，可以使波束在45˚仰角面切换四种状态；文献[9]将单极子天线与Vivaldi天线结合，可以实现全向和单向模式两种状态的切换；文献[10]调控寄生单元和中心贴片的连接状态，实现了四个端射方向的波束转向；文献[11]提出的天线可以同时进行频率、方向图重构，能在俯仰面上进行多模式切换。在太赫兹频段，方向图可重构天线的研究聚焦于石墨烯技术和MEMS开关技术在天线中的应用。文献[12]报道了一种基于石墨烯的频率、方向图可重构天线，天线可以在1~2 THz下工作，调节天线臂上石墨烯的化学势，可以调节天线的工作频率和方向图。文献[13]报道了一种基于石墨烯的多波束天线设计思想，工作于1.21 THz，在六种端射波束模式中切换。文献[14]报道了一种基于MEMS开关的太赫兹风车状天线，通过四个MEMS开关实现在方位面四个圆极化倾斜波束(θ = 30˚)的切换，工作在340 GHz~350 GHz。目前对方向图可重构天线进行的研究通常针对单仰角面的波束转向，无法在多仰角面进行波束扫描。且在太赫兹频段，由于量子隧穿效应的高频限制，隧道半导体开关具有损耗过大(一般在5 dB以上) [15]、隔离度不理想等状况；石墨烯、液晶制备开关一致性差，易受环境影响；而机械切换的射频MEMS开关在太赫兹波段射频性能表现依旧优异，可以实现1 Db~2 dB插入损耗。因此，射频微机电系统(RF-MEMS)开关成为了一种可行的波束调控方案[16]。
本文设计了一种基于RF-MEMS开关的太赫兹方向图可重构天线。通过选择不同的输入端口和开关配置，可以实现八种波束转向状态，覆盖两个仰角平面。
2. 天线结构设计
螺旋天线是一种宽带的边射圆极化天线[17]，可以应用在高仰角辐射应用背景。对数螺旋天线作为一种新型的天线设计，在通信和雷达系统中具有广泛的应用前景。其独特的方向图特性使得其在信号覆盖和接收方面具有显著的优势。通过调整天线的几何参数和材料特性，可以实现天线方向图的灵活重构，从而适应不同的通信需求和环境条件。
在实际应用中，天线设计需要考虑到诸多因素，包括工作带宽、辐射效率、波束指向性等。同时，天线的制造工艺和成本也是需要重点考虑的问题之一。随着通信技术的不断发展和应用需求的不断增加，对数螺旋天线作为一种新型天线设计形式，将在未来的通信系统中扮演越来越重要的角色。
当螺旋天线起始位置在螺旋正中心位置时，波束指向正上方。若螺旋起始中心偏离正中心，波束会倾斜。根据这种特性，本文提出基于对数螺旋天线的方向图可重构天线。天线衬底为两层介电常数
，损耗角正切
的石英玻璃基板组成，如图1所示。
Figure 1. Schematic diagram of pattern reconfigurable antenna stack structure
图1. 方向图可重构天线层叠结构示意图
Figure 2. Schematic diagram of the top layer antenna structure
图2. 顶层天线结构示意图
天线结构包括层叠设置两个介质层，顶层上表面设有天线金属层，底层下表面设有底层馈电结构，两个介质层之间设有金属层；该金属层上有四个阵列分布的圆形孔洞，通过圆形孔洞的金属柱上方与天线金属层连接，下方连接底层馈电结构。底层馈电结构包括四个微带线转类同轴结构，在底层表面中心旋转对称，通过金属微带线连接四个输入端口。
图2描绘了顶层螺旋天线的结构。天线的螺旋臂结构满足式(1) [18]：
(1)
其中，R是螺旋半径，β是螺旋起始位置与所求位置的夹角，其余是确定数值，在表1中给出。顶层天线包括四个渐变螺旋臂天线单元，螺旋臂的凹侧均朝向中心，四个天线单元中心旋转对称分布，每一天线单元均由直臂和从内端到外端宽度渐变的螺旋臂组合而成，直臂的一端连接一金属圆盘。RF-MEMS开关组合设置在顶层天线结构的正中心，配置结构如图3所示，其为八个悬臂梁开关S1~S8的组合。
Figure 3. Structural schematic diagram of RF-MEMS switch group
图3. RF-MEMS开关组结构示意图
Figure 4. Structural schematic diagram of cantilever switch
图4. 悬臂梁开关结构示意图
图4为开关组合中悬臂梁开关的结构，图示状态为开关的初始状态，此为断开状态。当给悬臂梁和位于悬臂梁正下方的电极分别施加零电势和驱动电压时，二者间产生静电力，静电力将悬臂梁拉下，则开关导通，为了减小整个开关组合的插入损耗，四个中心开关S5~S8由金属圆形贴片连接。天线工作时，先从底层的四个输入端口选择一个进行信号输入，然后选择一种RF-MEMS开关组合的配置方式。通过选择不同的输入端口和RF-MEMS开关配置，可以改变天线的电流路径，从而改变辐射方向，可以实现特定方向的波束倾斜；经验证，通过采用不同的输入端口和开关状态的组合，可实现八种状态方向图重构功能，在高低仰角面均可以实现全向波束扫描。该方向图可重构天线实现的八个状态的波束调控，最大增益波束指向分别为φ = 60˚、150˚、240˚、330˚；θ = 32˚、50˚。天线波束指向与配置的对应关系如表1所示。
Table 1. Mapping between antenna operating status and port and switch configurations
表1. 天线工作状态与端口、开关配置对应关系
状态 |
开关配置 |
端口配置 |
最大波束方向 |
1 |
全部断开 |
端口1 |
θ = 50˚, φ = 60˚ |
2 |
全部断开 |
端口2 |
θ = 50˚, φ = 150˚ |
3 |
全部断开 |
端口3 |
θ = 50˚, φ = 240˚ |
4 |
全部断开 |
端口4 |
θ = 50˚, φ = 330˚ |
5 |
S1、S3、S5、S8导通 |
端口1 |
θ = 32˚, φ = 60˚ |
6 |
S2、S4、S6、S7导通 |
端口2 |
θ = 32˚, φ = 150˚ |
7 |
S1、S3、S5、S8导通 |
端口3 |
θ = 32˚, φ = 240˚ |
8 |
S2、S4、S6、S7导通 |
端口4 |
θ = 32˚, φ = 330˚ |
天线状态4在一个周期内的合成电场矢量图如图5所示，T为工作频率340 GHz下的一个信号周期。天线上表面的电流走向随时间变化，在天线上方的自由空间，电场矢量沿逆时针方向转动，在空间传播过程中，电场矢量末端向右旋转，故形成右旋圆极化波。所设计的天线状态1~4的射频开关均为关断状态，区别在于输入端口不同，电磁波极化方式均为右旋圆极化。
Figure 5. Direction of the resultant electric field on the surface of the antenna state 4
图5. 状态4天线上表面合成电场方向
状态5~8是通过RF-MEMS开关将相对的两个螺旋天线连接到一起，使用一个端口馈电。端口给一个螺旋天线馈电时，产生右旋圆极化波，当该端口同时给相对的螺旋天线馈电时，由于输入端口起始馈电相位相同，相对的螺旋天线产生左旋圆极化波。
天线产生的右旋圆极化波与左旋圆极化波相互正交，右旋圆极化波垂直方向电场的相位超前水平方向电场90˚，左旋圆极化波垂直方向电场的相位滞后水平方向电场90˚，二者可以合成单方向的电场，即线极化波。又由于圆极化波合成改变了波束指向，垂直倾角θ相对于状态1~4减小到32˚。顶层的RF-MEMS开关可以通过不同组合实现波束指向不同的状态5~8，极化方式为线极化。
表2为天线的结构参数。
Table 2. Antenna structure parameter
表2. 天线结构参数
参数 |
数值 |
参数 |
数值 |
a |
18 μm |
b |
890 μm |
c |
108 μm |
d |
10 μm |
e |
30 μm |
f |
33 μm |
K |
160 |
F |
0.15 |
H1 |
150 μm |
H2 |
50 μm |
3. 天线仿真设计结果
应用表2的结构参数在ANSYS HFSS软件中对该天线进行仿真，通过控制输入端口激励和RF-MEMS的结构状态来模拟方向图可重构天线状态1~8，得到仿真结果。
Figure 6. Axis ratio and return loss of the pattern reconfigurable antenna
图6. 方向图可重构天线的轴比与回波损耗
方向图可重构天线的仿真反射系数和状态1~4在增益最大辐射方向的轴比曲线，如图6所示。在319 GHz~388 GHz频段，方向图可重构天线的S11参数低于−10 dB。在335 GHz~390 GHz时，状态1~4的轴比低于3 dB。由于方向图可重构天线的状态1~4的极化方式均为右旋圆极化，所以工作时应同时考虑回波损耗和轴比特性。状态1~8的共同工作频率为335 GHz~388 GHz，工作带宽约15%，该天线可以应用在中心工作频率340 GHz的太赫兹频段。
图7为状态1~4最大波束方向轴频比的模拟结果。直臂长度f的取值是影响轴向比的关键因素。图中为f = 13 um、23 um、33 um时的轴比。发现f越大，轴比 < 3 dB的带宽越大。由于RF-MEMS开关的存在，f有长度限制，取f = 33um。在335 GHz~390 GHz时，轴比低于3 dB。
Figure 7. Simulation results of the maximum beam direction axis ratio for states 1~4
图7. 状态1~4最大波束方向轴比的模拟结果
Figure 8. Gain of antenna states 1 and 5 in the plane of azimuth φ = 60˚
图8. 天线状态1与状态5在方位角φ = 60˚平面的增益
图8为340 GHz时天线在φ = 60˚平面的辐射增益方向图。由于天线的对称结构，图中只描绘了状态1和状态4的增益方向图，在俯仰面上的其他状态与这两种状态的波束增益相同。在最大增益波束方向上，状态1和状态5的共面极化增益都比交叉极化增益大15 dB以上，且两种状态的最大波束分别指向垂直倾角θ = 32˚和θ = 50˚。
Figure 9. Gain of the antenna states 1~4 at the pitch angle θ = 50˚
图9. 天线状态1~4在俯仰角θ = 50˚时的增益
图9为天线状态1~4在垂直倾斜角度θ = 50˚平面的增益辐射方向图，工作频率为340 GHz。图中验证了天线的波束转向功能。状态1~4最大增益波束指向分别为φ = 60˚、150˚、240˚、330˚。最大增益为7 dB，半功率波束宽度大于80˚，极化方式为右旋圆极化。
Figure 10. Gain of antenna states 5~8 at the pitch angle θ = 32˚
图10. 天线状态5~8在俯仰角θ = 32˚时的增益
图10描绘了天线状态5~8在340 GHz，在垂直倾斜角度θ = 32˚平面的增益辐射方向图。与状态1~4相同，状态5~8可以实现在θ = 32˚分辨率为90˚的波束扫描，最大增益波束指向分别为φ = 60˚、150˚、240˚、330˚。主瓣最大增益为5.1 dB，半功率波束宽度大于60˚，极化方式为线极化。比较相对的两个螺旋天线共同工作的状态5~8，由一个螺旋天线单独工作的状态1~4的增益方向图显示了更高的前后比，远旁瓣增益更低，体现出了更高的主瓣增益特性。
综上所述，文章实现了一种太赫兹波段的多模式宽角可重构天线，可以在两个垂直倾角平面(θ = 32˚, θ = 50˚)宽角波束扫描，其与目前公开的太赫兹方向图可重构天线对比如表3所示。
Table 3. Terahertz pattern reconfigurable antenna comparison
表3. 太赫兹方向图可重构天线对比
文献 |
工作模式 |
极化方式 |
工作频率 |
[12] |
2个 |
线极化 |
1 THz~2 THz |
[13] |
6个 |
线极化 |
1.21 THz |
[14] |
4个 |
圆极化 |
340 GHz~350 GHz |
本文 |
8个 |
圆极化、线极化 |
340 GHz |
4. 结论
文章介绍了一种基于射频微机电系统(RF-MEMS)开关的太赫兹波段方向图可重构天线的设计和仿真结果。所设计天线的目标是增加天线方向图的可重构状态，并扩大波束的覆盖角度。天线结合了四个对数螺旋天线单元和一个RF-MEMS开关组，通过开关组配置改变天线电流走向实现方向图重构。天线工作频率范围为335 GHz~388 GHz，工作带宽约15%，能够实现八个方向的波束转向，可以在垂直倾角为50˚和32˚的两个平面进行90˚分辨率的波束扫描。该天线可应用于中心频率为340 GHz的太赫兹通信系统的射频前端，适应多种部署情况和波束扫描需求，提高太赫兹通信系统的性能。
NOTES
*通讯作者。