CN102074795A

CN102074795A - 左右旋圆极化可重构天线

Info

Publication number: CN102074795A
Application number: CN2011100242238A
Authority: CN
Inventors: 罗国清; 胡志方; 张晓红; 孙玲玲
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2011-05-25

Abstract

本发明涉及一种左右旋圆极化可重构天线。现有产品价格高且工艺复杂。本发明包括介质基片、介质基片上表面涂覆的上金属层和下表面涂覆的下金属层；上金属层开有环型的隔直流缝隙，直流电源的两端分别连接隔直流缝隙两边的上金属层；下金属层开有环型的辐射缝隙，跨辐射缝隙两边的下金属层连接有两个反相偏置的二极管；多个贯穿隔上金属层、介质基片和下金属层的电互连单元顺序排列构成的电互连阵列；由上金属层、下金属层和电互连阵列包围的区域构成腔体，馈电单元伸入该腔体内；贯穿隔直流缝隙包围的上金属层、介质基片和辐射缝隙包围的下金属层的导电元。本发明辐射性能好、增益高、轮廓低，可无缝平面集成，易于设计和加工，成本低廉。

Description

左右旋圆极化可重构天线

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种左右旋圆极化可重构天线，可作为射频收发前端的天线，广泛应用在移动通信、卫星通信、雷达等无线通信系统，用于解决法拉第电磁旋转效应、雨雾干扰等造成的极化失配问题，同时该天线可克服多径能量衰落、实现频率复用、增大系统容量。

背景技术

作为通信系统的关键部件，天线被广泛地应用于无线通信场合。由于空间中电磁波传播的法拉第旋转效应，以及移动通信中的接收天线位置的不确定性，如果采用传统的单极化天线做为收发单元，需要收发天线极化匹配对准才能实现较好的接收效果。而圆极化天线辐射出来的等幅旋转场可以分解为幅度相等相位相差90度的两个正交线极化波，普遍应用于无线通信中解决极化失配的问题。同时由于圆极化波入射到对称目标时的旋向逆转特性，可应用于移动通信、卫星通信领域抑制雨雾干扰和抗多径反射，同时左右旋圆极化可重构天线可避免多径能量衰弱，实现频率复用从而提高系统容量。因此设计结构简单且高性能的左右旋圆极化可重构天线不但可以显著提高系统的性能及容量，同时可极大地缓解后续射频电路的指标压力，降低系统的成本。

左右旋圆极化可重构天线的实现方式多种多样，微带形式的圆极化天线因为具有低轮廓易共形的优点而应用最为广泛。它的馈电方式主要有缝隙耦合馈电和同轴波导馈电两种方式，其中缝隙耦合馈电主要采用多层印刷电路板工艺实现，对于国内的工艺来说价格高昂而且工艺不是很稳定。而同轴馈电方式虽然简单，但它不能和平面电路无缝集成，导致体积较大。它们为实现圆极化可重构特性所需要的偏置电路比较复杂，所需要的开关二极管和隔直流电容等集总元件比较多导致加工复杂成本高昂。综合目前左右旋圆极化可重构天线的研究现状可知，仍然需要研究采用新工艺新结构来实现低成本低轮廓的高性能左右旋圆极化可重构天线。

发明内容

本发明的目的是提供一种完全由平面电路加工技术实现的左右旋圆极化可重构的低轮廓背腔天线，这种新型圆极化天线辐射性能好，增益高，轮廓低，可无缝平面集成，集总元件中只需要两个开关二极管，不需要隔直流电容、偏置电路简单，易于设计，易于加工，成本低廉。该天线与现有同类型天线相比辐射性能好更好，偏置电路更简洁，制造成本显著降低。

本发明的左右旋圆极化可重构天线包括：

介质基片、介质基片上表面涂覆的上金属层和介质基片下表面涂覆的下金属层；

上金属层开有用于隔断直流回路的隔直流缝隙，所述的隔直流缝隙为贯穿上金属层的环型缝隙；

直流电源的两端分别连接隔直流缝隙两边的上金属层；

下金属层开有用于将电磁波从腔体耦合到空间或从空间耦合进入腔体的辐射缝隙，所述的辐射缝隙为贯穿下金属层的环型缝隙；

跨辐射缝隙两边的下金属层连接有两个反相偏置的二极管；

多个贯穿隔直流缝隙外围的上金属层、介质基片和辐射缝隙外围的下金属层的电互连单元顺序排列构成的电互连阵列；构成电互连阵列的任意两个相邻电互连单元之间的占空比大于1；

由上金属层、下金属层和电互连阵列包围的区域构成腔体，馈电单元伸入该腔体内；

贯穿隔直流缝隙包围的上金属层、介质基片和辐射缝隙包围的下金属层的导电元。

所述的隔直流缝隙位于辐射缝隙的投影区域内；

所述的辐射缝隙具有平面对称性；所述的馈电单元和电互连阵列的轮廓线均以辐射缝隙的对称面对称。

所述的介质基片为单层介质基片，馈电单元为带地共面波导传输线。

所述的电互连单元为金属化通孔或金属柱。

本发明的左右旋圆极化可重构天线是在普通的介质基片上通过采用平面电路加工技术制造等效于传统金属腔的新型腔体结构，从而极大地减小了背腔圆极化天线的体积。与传统背腔天线需要精密的机械加工不同的是这种新型天线包括馈电网络可以采用普通的平面电路工艺制作（如印刷电路板、低温共烧陶瓷等），制作成本显著降低，并可与平面电路实现无缝集成。同时巧妙利用具有两个反相偏置二极管加载的环型缝隙作为辐射单元，通过简单的偏置电路就可实现左右旋圆极化可重构天线。

具体工作原理：电磁能量由馈电线引入到由电互连阵列和两金属层构成的腔体中，并在腔体内且大环形缝隙外所限的区域激励起多个简并谐振模式。通过改变直流偏置电路的偏置电压或电流可以调节跨接在大环型缝隙上的两个开关二极管的导通或截止状态。当开关二极管处于导通状态时，相当于将大环型缝隙在该导通开关二极管所在位置短路，而当开关二极管处于截止状态时，相当于将大环型缝隙在该导通开关二极管所在位置开路。大环型缝隙上引入短路点，可以将腔体内大环型缝隙外的多个简并谐振模式分离并产生圆极化辐射。短路点位置的改变可以切换左旋或右旋圆极化辐射，从而使得天线成为左右旋圆极化可重构天线。调节腔体和大环型缝隙的尺寸可以方便地调节天线的工作频率。

本发明的左右旋圆极化可重构天线具有以下有益效果：

a. 这种新型的左右旋圆极化可重构天线保留了传统的金属背腔圆极化天线高增益等的优良辐射特性，同时整个天线包括背腔结构和馈电网络都可以在基片上实现，不但使得天线的体积极大减小，而且整个天线可以与系统完全平面无缝集成，提高了系统的集成度。

b.这种新型的左右旋圆极化可重构天线偏置电路简单，除了两个开关二极管外不再需要任何集总元件，偏置电路与以有左右旋圆极化可重构天线相比大大简化，结构简单制作成本低廉。

c. 这种新型的背腔圆极化天线制造简单方便，用普通的平面电路工艺就可以实现。与传统的需要精密机械加工的背腔天线相比，制造速度快，成本低廉。

附图说明

图1是本发明一实施例的立体结构示意图；

图2是图1的上表面金属层所处平面的结构示意图；

图3是图1的下表面金属层所处平面的结构示意图；

图4是本发明实施例在10GHz时左旋圆极化辐射方向图；

图5是本发明实施例在10GHz时右旋圆极化辐射方向图。

具体实施方式

如图1所示，左右旋圆极化可重构天线包括厚度为0.5毫米的介质基片1，介质基片1的两面有金属层，分别是金属层2和金属层3。贯穿介质基片1、金属层2和金属层3有直径为1毫米的通孔，通孔内壁镀有金属，形成电互连单元4。多个电互连单元4顺序排列为具有正方形轮廓线的且正方形边长为18.5毫米的电互连阵列，构成正方形的电互连阵列的电互连单元孔间距相同，均为1.5毫米。金属层2、金属层3和电互连阵列所包含区域形成正方形的腔体。如图2，金属层2有用于馈电的共面波导传输线5（虚线方框包含部分），共面波导传输线5的长度8.2毫米，空气间隙的宽度和中间金属条带的宽度分别为0.7毫米和1.45毫米。共面波导传输线5伸入腔体内，其顶端距离腔体的中心6.0毫米，共面波导传输线5的对称面与腔体的一个对称面重合。金属层2在腔体区域内，有宽度0.2毫米、边长1.6毫米且四边与腔体边壁平行、中心重合的一个正方形小环型缝隙7。在由小环型缝隙7分隔开的内部金属片和外部金属片上焊接有两根导线，导线连接直流电源构成直流偏置电路10（虚线椭圆框包含部分）；如图3，金属层3在腔体区域内有宽度1毫米、边长9.7毫米、且四边与腔体边壁平行、中心重合的一个正方形大环型缝隙6。在大环型缝隙6与共面波导传输线5的对称面垂直的一条中心线上的对称位置，有两个反相偏置的开关二极管8和9（虚线圆框包含部分）用于连接大环型缝隙6两边的金属；在腔体的中心位置贯穿介质基片1、金属层2和金属层3有一个由直径0.4毫米的金属化通孔构成的导电元11，将处于不同层的小环型缝隙内部的金属片和大环型缝隙内部的金属片连通形成等势体。具体结构几何参数如下：

L _c (mm)	18.5	lc (mm)	6.0
				Ls (mm)	9.7	Ws (mm)	1.0
Li (mm)	1.6	Wi (mm)	0.2
				d (mm)	1.0	dp (mm)	1.35
Lcpw (mm)	8.2	gcpw (mm)	0.7
				Wcpw (mm)	1.45	di (mm)	0.4

其中L _c为正方形腔体的边长，L _cpw、W _cpw和g _cpw分别为共面波导传输线的长度、中间金属条带和空气间隙的宽度，L _s和W _s分别为正方形的大环型缝隙的边长和宽度，L _i和W _i分别为正方形的小环型缝隙的边长和宽度，L _c为共面波导传输线的顶端与腔体中心之间的距离，d为构成电互连单元的通孔的直径，d _p为构成电互连阵列的通孔的孔心距，d _i为构成导电元11的通孔的直径。

该左右旋圆极化可重构天线的具体制造过程为：首先选取对应参数的介质基片，同时在两金属层上以同一位置作为中心制造同是正方形且平行的小环型缝隙和大环型缝隙。在有小环型缝隙的金属层制作有用于馈电的共面波导传输线，贯穿基片和两面金属层、在正方形的环型缝隙的中心处打一个金属化通孔，同时以这个金属化通孔为中心以均匀的间隔打一系列金属化通孔，构成边壁与环型缝隙四边平行的正方形腔体。选择合适的孔径和孔间距，避免能量向腔体外泄漏。在大环型缝隙与共面波导传输线平行的两条边的中心位置、将两个开关二极管以反相偏置状态焊接在大环型缝隙两边的金属上。在由小环型缝隙分割开的内部和外部金属上焊接两根导线，两根导线再连接一个直流电源，构成一个完整的新型左右旋圆极化可重构天线。这种新型天线保留了传统金属背腔圆极化天线的高增益辐射特性，其偏置电路与已有的左右旋圆极化可重构天线相比更简单，所需集总元件更少。选择合适腔体和大环型缝隙尺寸，可方便地调节这种天线的工作频率。整个天线可完全由普通的平面电路加工工艺实现，可以与系统完全无缝集成。

图4和图5的方向图结果表明该左右旋圆极化可重构天线无论左旋圆极化和右旋圆极化辐射都具有增益高、定向性好、交叉极化电平低的优良辐射特性。

虽然为了说明的目的参考附图已经描述了一实施例，但是将会理解的是本发明并不限于这一具体的实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明的范围的前提下可以实施各种其他的改变和改进。

Claims

1.左右旋圆极化可重构天线，其特征在于该天线包括：

直流电源的两端分别连接隔直流缝隙两边的上金属层；

跨辐射缝隙两边的下金属层连接有两个反相偏置的二极管；

2.如权利要求1所述的左右旋圆极化可重构天线，其特征在于所述的隔直流缝隙位于辐射缝隙的投影区域内。

3.如权利要求1所述的左右旋圆极化可重构天线，其特征在于所述的辐射缝隙具有平面对称性。

4.如权利要求3所述的左右旋圆极化可重构天线，其特征在于所述的馈电单元和电互连阵列的轮廓线均以辐射缝隙的对称面对称。

5.如权利要求1所述的左右旋圆极化可重构天线，其特征在于所述的介质基片为单层介质基片。

6.如权利要求5所述的左右旋圆极化可重构天线，其特征在于所述的馈电单元为带地共面波导传输线。

7.如权利要求1所述的左右旋圆极化可重构天线，其特征在于所述的电互连单元为金属化通孔或金属柱。