CN102110914B - 一种三角形微带贴片方向图可重构八木天线 - Google Patents
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Abstract
一种三角形微带贴片方向图可重构八木天线，属于电子技术领域，涉及天线技术。本发明提供的方向图可重构八木天线，包括三单元和七单元两种结构。三单元结构天线的辐射贴片为三角形微带贴片，包括一个激励贴片和两个寄生贴片。三个贴片按相同的方向放置，馈电端口位于激励贴片；二寄生贴片上开有槽缝，槽缝中间安装得有跨接于槽缝两边的开关。七单元天线为一个激励贴片和六个寄生贴片形成的三个三单元结构天线的组合。天线在不同模式下，工作频率基本保持不变，方向图可重构。该天线尺寸小、剖面低，能与载体表面共形，也能够组成阵列，实现方向图在大范围内扫描，可应用于无线通信、卫星通信、雷达探测等方面。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及天线技术，具体是指一种方向图可重构的微带贴片天线。
背景技术
可重构天线的概念最早是在1983年的专利“Frequency-Agile，Polarization DiverseMicrostrip Antennas and Frequency Scanned Arrays”中提出。1999年在美国国防部高级研究计划局(DARPA)制定名为“Reconfigurable Aperture Program(RECAP)”的计划后，许多研究机构对可重构天线进行了研究，取得了一系列的研究成果。目前可重构天线已经成为天线领域一个非常热门的研究方向，并在通信、雷达等许多方面获得了应用。
可重构天线按照其重构的天线特征可以分为三类：频率可重构天线、方向图可重构天线和频率与方向图同时可重构天线。通过改变天线的结构可以使天线在工作频率、辐射方向图或者极化方式等多个参数中的一种或者多种发生改变，从而使一个天线能实现多种天线功能。
改变天线的辐射方向图，可以避开噪声源或电子干扰，提高通信质量及安全性，并且可以将信号对准需要进行通信的用户而节约能量。所以，在无线通信、卫星通信和雷达等领域，对方向图可重构天线有很大的需求。同时，由于微带贴片天线具有体积小、剖面低、质量轻等优点，可以很好地与载体表面共形，而不影响载体的空气动力学特性，因此非常适合安装于飞行器表面。同时，微带天线成本低、加工方便，且容易与微波集成电路集成在同一个电路上，有利于减轻天线重量和体积，降低成本，并实现系统的高效集成。
2004年，S.Zhang，G.H.Huff等人在文章“A Pattern Reconfigurable Microstrip ParasiticArray”中利用微带振子实现了方向图可重构的八木天线，在那以后，研究人员提出了多种以八木天线为基础的方向图可重构天线，如Xue-Song Yang，Bing-Zhong Wang等人的“Yagi PatchAntenna With Dual-Band and Pattern Reconfigurable Characteristics”和Bo-shiou Ke，Tatsuo Itoh等人的“A Two-Element Yagi-Uda Array Using Tunable Slot Antenna”等一系列文章。
Xue-Song Yang，Bing-Zhong Wang等人在“Yagi Patch Antenna With Dual-Band and PatternReconfigurable Characteristics”(IEEE antennas and wireless propagaion letters，vol.6，2007.)一文中提出了一种方向图可重构八木天线，其结构如图1所示，整个天线由五个矩形贴片组成，正中间尺寸稍大的贴片为激励元，两侧的四个尺寸稍小的矩形贴片作为寄生元。每个寄生元上开有槽缝，槽中安装三个开关，通过控制安装在槽中开关的状态，可以令寄生贴片作引向器或者反射器。当寄生贴片上槽缝正中间的开关断开，而另外两个开关闭合时，寄生贴片作引向器；而当寄生贴片上的三个开关都断开时，寄生贴片作反射器。当激励单元某一侧的两个贴片状态都为引向器，而另一侧靠近激励元的贴片为反射器，就可以让辐射方向图向引向器方向偏转。反射器外面的寄生贴片状态对方向图的影响不明显。这样一种能实现辐射方向图波束方向改变的天线就是一种可重构微带贴片八木天线。该天线由于寄生元贴片数量较多，天线尺寸较大；同时由于辐射贴片是矩形，只能沿四个方向实现方向图重构。。
发明内容
本发明提供一种三角形微带贴片方向图可重构八木天线，该天线具有三角形微带贴片结构；在不同模式下，工作频率基本保持不变，方向图波束可以根据需要，向不同方向偏转；同时，该天线具有尺寸小、剖面低的特点，能与载体表面共形，也能够组成阵列，实现方向图在大范围内扫描。
本发明技术方案如下：
一种三角形微带贴片方向图可重构八木天线(三单元结构)，如图2所示，包括介质基片、位于介质基片背面的金属接地板和位于介质基片正面的辐射贴片。所述介质基片为矩形介质基片。所述金属接地板覆盖整个介质基片背面。所述辐射贴片包括三个三角形金属贴片，三个三角形金属贴片按相同的方向放置，它们的一个顶点和过该顶点的高线与矩形介质基片平行于长边的中心轴线相重合。中间的三角形金属贴片的面积大于两侧的三角形金属贴片。中间的三角形金属贴片为激励贴片，具有馈电端口；定义矩形介质基片平行于长边的中心轴线为辐射贴片的中心轴线，则激励贴片的馈电端口位于中心轴线上并靠近垂直于中心轴线的底边。两侧的三角形金属贴片为寄生贴片，两个寄生贴片大小相同；寄生贴片上开有垂直于辐射贴片中心轴线的槽缝，槽缝中间位置安装得有跨接于槽缝两边的开关。
寄生贴片中槽缝的作用是达到切割电流，进而改变寄生贴片等效电感和等效电容的目的。槽缝中开关的作用是通过改变开关状态，来改变寄生贴片的等效电容和等效电感。开有槽缝并安装开关的寄生贴片如图3所示。
当寄生贴片上的开关断开时，该寄生贴片作引向器。而当寄生贴片上的开关闭合时，该寄生贴片对天线方向图几乎没有影响。使激励贴片一侧的寄生贴片开关断开，作引向器，而另一侧的寄生贴片上的开关闭合，就能使辐射方向图的波束向引向器方向偏转。而当两个寄生贴片上的开关同时断开或闭合，则方向图波束指向激励贴片正上方。所以，通过改变两个寄生贴片上开关的状态，天线共有三种工作模式，从而实现方向图波束向三个方向偏转。这样就实现了此天线的方向图重构。
本发明采用三个三角形贴片作为辐射单元，构成一种可重构微带八木天线。其中中间的贴片有馈电端口，是激励元。两侧的贴片没有馈电端口，是寄生单元。当寄生贴片上槽缝中的开关断开时，该贴片作引向器；而当寄生贴片槽中的开关闭合时，该贴片对天线的辐射方向图几乎没有影响。改变两侧贴片上开关的状态，可以得到三种天线模式。模式一，左侧贴片上的开关断开，贴片作引向器，右侧贴片开关闭合，辐射方向图波束偏向左侧。而模式二则正好相反，左侧贴片开关闭合，右侧贴片上开关断开，作引向器，辐射方向图波束偏向右侧。模式三，两侧贴片上的开关保持同种状态，即同时闭合或断开，辐射方向图波束都指向激励贴片正上方。这样，在这三种模式下，辐射方向图就分别指向左侧、右侧或上方，从而实现了三角形贴片八木天线的方向图重构。
本发明同时提供另外一种三角形微带贴片方向图可重构八木天线(七单元结构)，如图8所示，包括介质基片、位于介质基片背面的金属接地板和位于介质基片正面的辐射贴片。所述介质基片为正方形或圆形介质基片。所述金属接地板覆盖整个介质基片背面。所述辐射贴片包括七个正三角形金属贴片，其中一个位于基片正面中心位置的正三角形金属贴片为激励贴片，另外六个围绕在激励贴片周围且与激励贴片之间的距离相等的正三角形金属贴片为寄生贴片。激励贴片的面积大于周围六个寄生贴片，周围六个寄生贴片的面积相等。所有寄生贴片中通过其中一个顶点的高线与激励贴片的三条高线之一相重合，激励贴片的每一条高线上的两个寄生贴片与激励贴片保持方向一致。激励贴片的三条高线上具有三个馈电端口，三个馈电端口之间形成一个正三角形。每个寄生贴片上开有垂直于该寄生贴片所在激励贴片那条高线的槽缝，槽缝中间位置安装得有跨接于槽缝两边的开关。
选择七单元结构的方向图可重构八木天线中激励贴片的一个馈电端口进行馈电，另外两个馈电端口之间接匹配负载，则接受馈电的馈电端口所在高线上的三个三角形金属贴片形成一个前述三单元结构的方向图可重构八木天线，而另外四个寄生贴片对天线方向图的主瓣方向几乎没有影响。这样，整个七单元结构方向图可重构八木天线相当于三个前述三单元结构的方向图可重构八木天线的组合。分别对三个三单元结构的方向图可重构八木天线进行馈电，并控制相应寄生贴片中开关的状态，就可以实现九种工作模式。其中每个三单元结构的方向图可重构八木天线均有一种模式是波束指向激励贴片上方，但此时，当两个寄生贴片上的开关同时都断开时，天线无法得到良好的匹配特性，而只有两个寄生贴片上的开关同时闭合时，天线才能正常工作。这样整个七单元结构方向图可重构八木天线可以使辐射方向图分别指向七个方向，可以实现上半空间方位面360°范围的全方位覆盖。
本发明的有益效果是：
本发明结构新颖，性能优良。采用三个三角形贴片，通过一个端口馈电，改变寄生贴片上的开关状态，可以得到三种模式，从而实现波束在上半空间的一个平面内扫描。而采用七个三角形贴片，通过三个馈电端口轮流工作，可以实现九种工作模式，实现波束在上半空间的全方位扫描。天线在不同模式下，工作频率基本保持不变，方向图波束可以根据需要，向不同方向偏转，指向需要通信的用户，也能够避开干扰源。与全辐射方向的天线相比，它能够提供更高的增益，或者能够在相同增益的情况下，节省能源。这一特性使这一天线能够在许多方面得到应用。该天线尺寸小，剖面低，能与载体表面共形，也能够组成阵列，实现方向图在大范围内扫描，可应用于无线通信、卫星通信、雷达探测等方面，如应用于飞行器、舰船、车载装置上，以及无线通信的固定或移动终端设备上。
附图说明
图1为现有的一种矩形微带八木贴片天线的结构示意图。其中(a)为正面结构，(b)为侧面结构。
图2为本发明提供的三角形微带贴片方向图可重构八木天线(三单元结构)的结构示意图。其中(a)为正面结构，(b)为侧面结构。
图3为本发明提供的三角形微带贴片方向图可重构八木天线中寄生贴片结构示意图。
图4为本发明提供的三角形微带贴片方向图可重构八木天线(三单元结构)处于工作模式一时的E面方向图。
图5为本发明提供的三角形微带贴片方向图可重构八木天线(三单元结构)处于工作模式二时的E面方向图。
图6为本发明提供的三角形微带贴片方向图可重构八木天线(三单元结构)处于工作模式三时的E面方向图。
图7为本发明提供的三角形微带贴片方向图可重构八木天线(三单元结构)三种模式下的S11参数曲线。
图8为本发明提供的三角形微带贴片方向图可重构八木天线(七单元结构)的结构示意图。
图9至图12为本发明提供的三角形微带贴片方向图可重构八木天线(七单元结构)的几种工作模式下的E面的方向图。
图13至图15为本发明提供的三角形微带贴片方向图可重构八木天线(七单元结构)的几种工作模式下的S参数曲线。
具体实施方式
实施例一
一种三角形微带贴片方向图可重构八木天线(三单元结构)，如图2所示，包括介质基片、位于介质基片背面的金属接地板和位于介质基片正面的辐射贴片。所述介质基片为矩形介质基片。所述金属接地板覆盖整个介质基片背面。所述辐射贴片包括三个三角形金属贴片，三个三角形金属贴片按相同的方向放置，它们的一个顶点和过该顶点的高线与矩形介质基片平行于长边的中心轴线相重合。中间的三角形金属贴片的面积大于两侧的三角形金属贴片。中间的三角形金属贴片为激励贴片，具有馈电端口；定义矩形介质基片平行于长边的中心轴线为辐射贴片的中心轴线，则激励贴片的馈电端口位于中心轴线上并靠近垂直于中心轴线的底边。两侧的三角形金属贴片为寄生贴片，两个寄生贴片大小相同；寄生贴片上开有垂直于辐射贴片中心轴线的槽缝，槽缝中间位置安装得有跨接于槽缝两边的开关。
对于单馈电三单元三角形微带贴片八木天线，当寄生贴片上槽缝中的开关断开时，该贴片作为引向器，而当寄生贴片槽缝中的开关闭合时，该贴片对天线方向图几乎没有影响。改变两侧贴片上开关的状态，可以得到三种天线工作模式。
模式一，左侧贴片开关断开，作引向器，右侧贴片开关闭合。辐射方向图的波束偏向左侧，如图4所示。
模式二，左侧贴片开关闭合，右侧贴片开关断开，作引向器。辐射方向图的波束偏向右侧，如图5所示。
模式三，两侧贴片上开关保持相同状态。辐射方向图的波束指向激励贴片正上方，如图6所示。
我们将左边槽缝中的开关编号为1，右边的槽缝中的开关编号为2，则实现上述三种模式时开关的状态如下表1所示：
表1
三种模式下，天线的S11参数曲线如图7所示。
实施例二
一种三角形微带贴片方向图可重构八木天线(七单元结构)，如图8所示，包括介质基片、位于介质基片背面的金属接地板和位于介质基片正面的辐射贴片。所述介质基片为正方形或圆形介质基片。所述金属接地板覆盖整个介质基片背面。所述辐射贴片包括七个正三角形金属贴片，其中一个位于基片正面中心位置的正三角形金属贴片为激励贴片，另外六个围绕在激励贴片周围且与激励贴片之间的距离相等的正三角形金属贴片为寄生贴片。激励贴片的面积大于周围六个寄生贴片，周围六个寄生贴片的面积相等。所有寄生贴片中通过其中一个顶点的高线与激励贴片的三条高线之一相重合，激励贴片的每一条高线上的两个寄生贴片与激励贴片保持方向一致。激励贴片的三条高线上具有三个馈电端口，三个馈电端口之间形成一个正三角形。每个寄生贴片上开有垂直于该寄生贴片所在激励贴片那条高线的槽缝，槽缝中间位置安装得有跨接于槽缝两边的开关。
对于三馈电端口的七单元三角形微带贴片方向图可重构八木天线(如图8所示)，三个馈电点位置为图中所标注的1，2，3。激励贴片与馈电端口所在高线上的两个寄生贴片构成一个三单元结构的三角形微带贴片方向图可重构八木天线，这样可构成三个三单元结构的三角形微带贴片方向图可重构八木天线。当给其中一个馈电端口馈电，其它两个端口接匹配负载时，则只有沿该馈电点所在高线上的寄生贴片状态会影响天线的方向图，其它四个寄生贴片的状态对天线性能基本没有影响。分别对三个三单元结构的方向图可重构八木天线进行馈电，并控制相应寄生贴片中开关的状态，就可以实现九种工作模式。其中每个三单元结构的方向图可重构八木天线均有一种模式是波束指向激励贴片上方，但此时，当两个寄生贴片上的开关同时都断开时，天线无法得到良好的匹配特性，而只有两个寄生贴片上的开关同时闭合时，天线才能正常工作。这样整个七单元结构方向图可重构八木天线可以使辐射方向图分别指向七个方向，可以实现上半空间方位面360°范围的全方位覆盖。
图9至图12为七单元结构的三角形微带贴片方向图可重构八木天线的几种工作模式下的E面的方向图。
在图13、14、15中给出了在馈电端口1馈电，馈电端口2和3接匹配负载时，模式一、二、三这三种工作模式下的S11、S21和S31参数曲线。从S参数曲线可以看出，在这三种模式下，端口的反射系数和相邻端口的隔离度都能够满足工作要求。由于天线结构的对称性，另外两个馈电端口工作时的S参数与端口1工作时完全相同。
Claims (2)
1.一种三角形微带贴片方向图可重构八木天线，包括介质基片、位于介质基片背面的金属接地板和位于介质基片正面的辐射贴片；所述介质基片为矩形介质基片，所述金属接地板覆盖整个介质基片背面；所述辐射贴片包括三个三角形金属贴片，三个三角形金属贴片按相同的方向放置，它们的一个顶点和过该顶点的高线与矩形介质基片平行于长边的中心轴线相重合；中间的三角形金属贴片的面积大于两侧的三角形金属贴片；中间的三角形金属贴片为激励贴片，具有馈电端口；定义矩形介质基片平行于长边的中心轴线为辐射贴片的中心轴线，则激励贴片的馈电端口位于中心轴线上并靠近激励贴片中与中心轴线相垂直的三角形的底边；两侧的三角形金属贴片为寄生贴片，两个寄生贴片大小相同；寄生贴片上开有垂直于辐射贴片中心轴线的槽缝，槽缝中间位置安装得有跨接于槽缝两边的开关。
2.一种三角形微带贴片方向图可重构八木天线，包括介质基片、位于介质基片背面的金属接地板和位于介质基片正面的辐射贴片；所述介质基片为正方形或圆形介质基片，所述金属接地板覆盖整个介质基片背面；所述辐射贴片包括七个正三角形金属贴片，其中一个位于基片正面中心位置的正三角形金属贴片为激励贴片，另外六个围绕在激励贴片周围且与激励贴片之间的距离相等的正三角形金属贴片为寄生贴片；激励贴片的面积大于周围六个寄生贴片，周围六个寄生贴片的面积相等；所有寄生贴片中通过其中一个顶点的高线与激励贴片的三条高线之一相重合，激励贴片的每一条高线上的两个寄生贴片与激励贴片保持方向一致；激励贴片的三条高线上具有三个馈电端口，三个馈电端口之间形成一个正三角形；每个寄生贴片上开有垂直于该寄生贴片所在激励贴片那条高线的槽缝，槽缝中间位置安装得有跨接于槽缝两边的开关。
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