CN102437429A - 一种可以实现方向图和频率扫描的贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现方向图和频率扫描的贴片天线，该贴片天线包括有四个贴片、介质板、金属板、A电磁体、B电磁体和转台；四个贴片平行放置安装在金属板上，金属板安装在介质板上，介质板安装在转台的上平台上。A电磁体安装在转台的A连接臂的平台上，B电磁体安装在转台的B连接臂的平台上。四个贴片设计成矩形金属贴片结构，使天线平面化，体积小，重量轻。本贴片天线的特征在于其介质层选用铁氧体，利用铁氧体的旋磁性、进动性等相关性质实现天线频率的扫描。通过调节天线座架中的旋转柱即可实现天线频率的扫描，调节方便，易于实现。

Description

一种可以实现方向图和频率扫描的贴片天线

技术领域

本发明涉及一种贴片天线，更特别地说，是指一种基于铁氧体的特性，仅需要旋转平台，即可实现天线工作频段高低频的转换，从而实现天线的扫频，广泛应用于无线通信、雷达和其他需要工作频率重构的领域。 

背景技术

八木天线又称引向天线，它是20世纪20年代由日本东北大学的八木秀次和宇田新太郎共同研制发明的一种天线，所以称为八木-宇田天线，简称八木天线。 

由于八木天线具有很好的定向性，较之偶极子天线具有较高的增益，所以被广泛应用于米波、分米波段得通信、电视等无线电设备中，用来测距及远距离通信。近年来米波八木天线的军事应用备受瞩目，主要用于雷达天线，用于隐形目标的识别和电子对抗。 

八木天线是由一根有源阵子和几根无源阵子(包括引向器和反射器)组成。通过各振子之间的强耦合，在引向器和反射器的共同作用下，产生某一特定方向的辐射。目前通用的八木天线大多采用半波振子，或折合振子。其中，最常用的是八木阵天线，这些振子需要用金属导管，例如铜管、铝管、铝合金管，不仅消耗大量管材，而且还需要对金属材料作加工，因而成本较高。而贴片形式的天线可以解决这个问题。 

而且，近几年来，频率和方向图可重构天线被认为是电子设备朝多功能方向发展。传统的八木天线安装好之后其辐射方向是一定的，如果想改变其飞射方向必须通过人工或者机械调整天线的位置和极化方向，灵敏度低，故障率高。即使是使用一般的贴片八木天线，需要安装多副天线会带来工作平台体积大、重量重的问题，且电磁兼容性能差等一系列问题。 

铁氧体材料是一类重要的非金属磁性材料，是指包括铁族离子或其他过渡族金属离子及其他金属离子的氧化物，呈现出亚铁磁性。铁氧体磁性材料又可以分为软磁铁氧体、硬磁铁氧体、旋磁铁氧体，矩磁铁氧体和压磁铁氧体等五种，它们各有单晶、多晶和薄膜等形式。它具有高磁导率、高电阻率、低损耗及陶瓷的耐磨性等优点。 

铁氧体旋磁材料有两个重要固有特性：旋磁性和铁磁共振，在控制电磁波的传播技术上具有很大的实用意义。当磁场加到铁氧体介质上时，其微波信号磁导率认为是一个张量。当交变磁场频率不变时，复数磁导率随恒稳磁场变化。 

平面六角晶系的软磁铁氧体的自然共振频率要比尖晶石铁氧体高一个数量级，而且综合磁性能比较优良，因此是一种比较理想的，能够满足在甚高频段应用要求的材料。 

发明内容

为了克服现有的天线结构体积大、重量重、难以和载体共形的不足，同时可以实现频率的扫描，本发明提供一种可实现方向图和频率扫描的贴片天线。该贴片天线的体积小、重量轻，而且易于与载体共形。 

本发明是一种可实现方向图和频率扫描的贴片天线，该贴片天线包括有A贴片(1A)、B贴片(1B)、C贴片(1C)、D贴片(1D)、介质板(1)、金属板(2)、A电磁体(3)、B电磁体(4)和转台(5)； 

其中，A电磁体(3)与B电磁体(4)的结构相同； 

其中，A贴片(1A)、B贴片(1B)、C贴片(1C)、D贴片(1D)、介质板(1)和金属板(2)构成天线组件；A贴片(1A)与B贴片(1B)的结构相同； 

A贴片(1A)、B贴片(1B)、C贴片(1C)和D贴片(1D)相互平行地安装在金属板(2)上，金属板(2)安装在介质板(1)上，介质板(1)安装在转台(5)的上平台(53)上； 

A电磁体(3)安装在转台(5)的A连接臂(51)的平台上，B电磁体(4)安装在转台(5)的B连接臂(52)的平台上； 

A贴片(1A)、B贴片(1B)、C贴片(1C)和D贴片(1D)选用铜箔材料； 

介质板(1)采用铁氧体材料； 

金属板(2)选用铜箔材料； 

金属底板(2)的一侧与A电磁体(3)之间的间距等于金属底板(2)的另一侧与B电磁体(4)之间的间距。 

本发明的可实现方向图和频率扫描的贴片天线，该贴片天线在转动条件下的频率扫描过程为： 

步骤一：首先给A电磁体3、B电磁体4加载电流，使其产生2300～2500A/m的偏置磁场； 

步骤二：然后调节旋转柱，使旋转柱沿顺时针方向转动，旋转柱转过第一转角β₁后，通过HFSS仿真软件采集s参数的仿真结果，以及方向图的仿真结果； 

步骤三：复位旋转柱至初始位置，调节旋转柱，使旋转柱沿顺时针方向转动，旋转柱转过第二转角β₂后，通过HFSS仿真软件采集s参数的仿真结果，以及方向图的仿真结果； 

步骤四：复位旋转柱至初始位置，调节旋转柱，使旋转柱沿顺时针方向转动，旋转柱转过第三转角β₃后，通过HFSS仿真软件采集s参数的仿真结果，以及方向图的仿真结果。 

在本发明中，重复复位后再转动一定的角度，重复进行HFSS仿真软件采集s参数的仿真结果，以及方向图的仿真结果进行观察本发明贴片天线的频率扫描和方向图。 

本发明可实现方向图和频率扫描的贴片天线的优点在于： 

①本发明天线组件以传统贴片天线的工作原理为基础，并巧妙的融入新型材料铁氧体作为贴片天线的介质层，通过旋转平台即调节了外加偏置磁场的方向，造成介质层中铁氧体的参数改变，从而改变天线工作频段。在不影响天线其他参数情况下同时实现了频率的扫描。 

②本发明把天线组件安装在一个二维转台上，能够方便地调节天线组件转过的所需角度，该调节方式方便易于实现，同时在实现方向图扫描的同时又可实现天线频率的扫描。 

③本发明通过在两端的电磁体上加载电流来提供磁场，并结合HFSS(High Frequency Structure Simulator，安捷伦公司)仿真软件进行相关参数的采集，即可实现天线频率的扫描、也可实现方向图的仿真结果显示。 

附图说明

图1是本发明贴片天线的结构图。 

图1A是图1的正视图。 

图1B是图1的俯视图。 

图1C是馈电点在C贴片上的布局示意图。 

图2是转台转过不同角度进行结果仿真的图。 

图3是转过90°时外加偏置磁场的s参数仿真结果。 

图4是转过75°时外加偏执磁场的s参数仿真结果。 

图5是转过60°时外加偏执磁场的s参数仿真结果。 

图6是转过90°和75°外加偏置磁场下的远场辐射方向图。 

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。 

本发明的实质是微带贴片天线的结构，介质层采用平面六角形软磁铁氧体。利用铁氧体材料的相对磁导率随外加偏置磁场变化发生改变，从而导致贴片天线产生频移。通过转台改变外加偏置磁场的方向，使安装在上平台两侧的两个电磁铁相对于天线组件的位置发生改变，从而导致介质板所处于的外加偏置磁场(均匀磁场)方向改变，实现贴片天线频率和方向图的扫描。 

参见图1、图1A、图1B、图1C所示，本发明的一种可实现方向图和频率扫描的贴片天线，该贴片天线包括有A贴片1A、B贴片1B、C贴片1C、D贴片1D、介质板1、金属板2、A电磁体3、B电磁体4和转台5； 

其中，A电磁体3与B电磁体4的结构相同； 

其中，A贴片1A、B贴片1B、C贴片1C、D贴片1D、介质板1和金属板2构成天线组件；A贴片1A与B贴片1B的结构相同； 

A贴片1A、B贴片1B、C贴片1C和D贴片1D安装在金属板2上，金属板2安装在介质板1上，介质板1安装在转台5的上平台53上。 

A电磁体3安装在转台5的A连接臂51的平台上，B电磁体4安装在转台5的B连接臂52的平台上。 

(一)贴片 

参见图1、图1A、图1B所示，天线组件包括有A贴片1A、B贴片1B、C贴片1C、D贴片1D、介质板1和金属板2；A贴片1A、B贴片1B、C贴片1C和D贴片1D安装在金属板2上，金属板2安装在介质板1上，介质板1安装在转台5的上平台53上。 

在本发明中，A贴片1A与B贴片1B的结构相同； 

A贴片1A的长记为a_A，宽记为b_A，高记为h_A，或者a_A＝b_A； 

B贴片1B的长记为a_B，宽记为b_B，高记为h_B，或者a_B＝b_B； 

C贴片1C的长记为a_C，宽记为b_C，高记为h_C，或者a_C＝b_C； 

D贴片1D的长记为a_D，宽记为b_D，高记为h_D，或者a_D＝b_D； 

A贴片1A与B贴片1B之间的间距记为d₁； 

B贴片1B与C贴片1C之间的间距记为d₂，且d₁＝d₂； 

C贴片1C与D贴片1D之间的间距记为d₃。 

四个贴片之间的尺寸关系：a_C＝1.05a_B～1.15a_B，a_D＝1.25a_B～1.27a_B，d₁＝d₂＝0.1a_B，d₃＝0.08a_B。 

在本发明中，A贴片1A、B贴片1B、C贴片1C和D贴片1D选用铜箔材料。 

采用本发明的尺寸和相对平行方式布局四个贴片，更有利于实现贴片天线的辐射方向性更好。 

(二)介质板1 

介质板1采用铁氧体材料，如Mn-Zn铁氧体、Cu-Zn铁氧体或者Ni-Zn铁氧体。介质板1的长记为a₁，宽记为b₁，高记为h₁。 

在本发明中，利用铁氧体介质板的旋磁性、进动性等相关性质实现天线频率的扫描。 

(三)金属板2 

在本发明中，金属板2选用铜箔材料。金属板2的长记为a₂，宽记为b₂，高记为h₂。 

参见图1B所示，金属底板2的一侧与A电磁体3之间的间距记为l；金属底板2的另一侧与B电磁体4之间的间距记为l；是因A电磁体3、B电磁体4是以金属底板2为对称放置的。 

在本发明中，介质板1、金属板2、A贴片1A、B贴片1B、C贴片1C和D贴片1D的尺寸在高度上是相同的，即h₁＝h₂＝h_A＝h_B＝h_C＝h_D。 

(四)转台5 

在本发明中，转台5为二自由度转台，转台5包括有A连接臂51、B连接臂52、上平台53、旋转柱54、底座55，A连接臂51与B连接臂52安装在底座55上，旋转柱54的一端安装在底座55内，旋转柱54的另一端安装有上平台53。 

转台5为本发明中的天线组件一方面提供安装平台，另一方面提供使天线组件能够在圆周方向上运动。利用转台5能够方便地转过不同角度进行频率扫描。 

在本发明中，转台5可以选用武汉华中航空测控技术有限公司生产的单轴无磁旋转定位转台。 

(五)A电磁体3与B电磁体4 

在本发明中，给A电磁体3和B电磁体4通入电流，A电磁体3和B电磁体4将产生均匀的磁场，磁场强度为2300～2500A/m。通过旋转旋转柱3改变天线组件相对于A电磁体3与B电磁体4之间的位置，从而使介质板1受到的外加偏置磁场方向改变，实现天线组件的频率扫描。 

A电磁体3和B电磁体4的材料可以选用四氧化三铁、或者三氧化二铁。 

实施例1

为了验证本发明设计的贴片天线可以实现其中心频率的高低频率的转换，及方向图主波瓣辐射方向的变化： 

介质板1的尺寸：a₁＝124mm，b₁＝56mm，h₁＝2mm，铁氧体材料的介质板1的相对介电常数是11.8，相对磁导率是1，饱和磁化强度2500高斯； 

金属底板2的尺寸：a₂＝207mm，b₂＝139mm，h₂＝0.018mm； 

A贴片1A的尺寸：a_A＝19.8mm，b_A＝19.8mm，h_A＝0.018mm； 

B贴片1B的尺寸：a_B＝19.8mm，b_B＝19.8mm，h_B＝0.018mm；A贴片1A与B贴片1B之间的间距d₁＝2mm； 

参见图1C所示，C贴片1C的尺寸：a_C＝21.6mm，b_C＝21.6mm，h_C＝0.018mm；B贴片1B与C贴片1C之间的间距d₂＝2mm；天线组件的馈电点10距C贴片1C的中心点的间距记为e_C，e_C＝7mm；馈电点10布置在C贴片1C的横向轴线上； 

D贴片1D的尺寸：a_D＝24.8mm，b_D＝24.8mm，h_D＝0.018mm；C贴片1C与D贴片1D之间的间距d₃＝1.6mm； 

A电磁体3与金属底板2的一侧的间距等于B电磁体4与金属底板2的另一侧的间距，间距记为l，l＝4mm。 

在实施例1制得的贴片天线上进行转动条件下的频率扫描： 

步骤一：首先给A电磁体3、B电磁体4加载电流，使其产生2500A/m的偏置磁场； 

步骤二：然后调节旋转柱，使旋转柱沿顺时针方向转动，参见图2所示，旋转柱转过β₁＝90°后，通过HFSS仿真软件(HFSS 10)采集s参数的仿真结果(如图3所示)，以及方向图的仿真结果(如图6所示)； 

步骤三：复位旋转柱至初始位置，调节旋转柱，使旋转柱沿顺时针方向转动，旋转柱转过β₂＝75°后，通过HFSS仿真软件(HFSS 10)采集s参数的仿真结果(如图4所示)，以及方向图的仿真结果(如图6所示)； 

步骤四：复位旋转柱至初始位置，调节旋转柱，使旋转柱沿顺时针方向转动，旋转柱转过β₃＝60°后，通过HFSS仿真软件(HFSS 10)采集s参数的仿真结果，其仿真结果如图5所示； 

在本发明中，重复复位后再转动一定的角度，重复进行HFSS仿真软件采集s参数的仿真结果，以及方向图的仿真结果进行观察本发明贴片天线的频率扫描和方向图。 

图3中可以看出，此时贴片天线的中心频率在m2处，即是3.48GHz处；如果把VSWR＜2看成工作频带的话，贴片天线的工作频带在m1-m3，即3.30GHz～3.64GHz，带宽大约340MHz。 

图4中可以看出，此时贴片天线的中心频率在m2处，即是3.38GHz处；如果把VSWR＜2看成工作频带的话，贴片天线的工作频带在m1-m3，即3.06GHz～3.60GHz，带宽大约560MHz。 

图5中由于贴片天线发生频率扫描，为了使图像表示更清楚明了，外加偏置磁场在转过角度60°时把贴片天线的扫描范围定在2.60GHz～3.20GHz。将由图可以看出，此时天线的中心频率在m2处，即是3.03GHz处；如果把VSWR＜2看成工作频带的话，天线的工作频带在m1-m3，即2.88GHz～3.11GHz，带宽大约330MHz。 

比较图3、图4、图5，由图得知，随着外加偏置磁场的方向顺时针方向转过一定角度90°、75°、60°，实施例1制得的贴片天线的中心工作频率依次变为3.48GHz、3.38GHz、3.03GHz。因此在改变贴片天线外加偏置磁场条件下，贴片天线发生频率扫描。随着外加偏置磁场沿顺时针方向旋转，贴片天线的中心频率降低，同时天线的带宽先增大后减小。 

从图6中可以看出两方向图为外加偏置磁场在转过一定角度90°、75°后，实施例1制得的贴片天线远场辐射方向图，由图得知，随着外加偏置磁场方向沿顺时针方向转动，贴片天线的远场方向图的最大辐射方向沿逆时针转动。 

Claims (6)

1.一种可实现方向图和频率扫描的贴片天线，其特征在于：该贴片天线包括有A贴片(1A)、B贴片(1B)、C贴片(1C)、D贴片(1D)、介质板(1)、金属板(2)、A电磁体(3)、B电磁体(4)和转台(5)；

其中，A电磁体(3)与B电磁体(4)的结构相同；

其中，A贴片(1A)、B贴片(1B)、C贴片(1C)、D贴片(1D)、介质板(1)和金属板(2)构成天线组件；A贴片(1A)与B贴片(1B)的结构相同；

A贴片(1A)、B贴片(1B)、C贴片(1C)和D贴片(1D)相互平行地安装在金属板(2)上，金属板(2)安装在介质板(1)上，介质板(1)安装在转台(5)的上平台(53)上；

A电磁体(3)安装在转台(5)的A连接臂(51)的平台上，B电磁体(4)安装在转台(5)的B连接臂(52)的平台上；

A贴片(1A)、B贴片(1B)、C贴片(1C)和D贴片(1D)选用铜箔材料；

介质板(1)采用铁氧体材料；

金属板(2)选用铜箔材料；

金属底板(2)的一侧与A电磁体(3)之间的间距等于金属底板(2)的另一侧与B电磁体(4)之间的间距。

2.根据权利要求1所述的可实现方向图和频率扫描的贴片天线，其特征在于：介质板(1)、金属板(2)、A贴片(1A)、B贴片(1B)、C贴片(1C)和D贴片(1D)在高度上是相同的。

3.根据权利要求1所述的可实现方向图和频率扫描的贴片天线，其特征在于：A贴片(1A)、B贴片(1B)、C贴片(1C)和D贴片(1D)选用铜箔材料。

4.根据权利要求1所述的可实现方向图和频率扫描的贴片天线，其特征在于：A贴片(1A)与B贴片(1B)之间的间距记为d₁；B贴片(1B)与C贴片(1C)之间的间距记为d₂，且d₁＝d₂；C贴片(1C)与D贴片(1D)之间的间距记为d₃；所述四个贴片之间的尺寸关系：a_C＝1.05a_B～1.15a_B，a_D＝1.25a_B～1.27a_B，d₁＝d₂＝0.1a_B，d₃＝0.08a_B。

5.根据权利要求1所述的可实现方向图和频率扫描的贴片天线，其特征在于：给A电磁体(3)和B电磁体(4)通入电流时，A电磁体(3)和B电磁体(4)将产生磁场强度为2300～2500A/m的磁场。

6.根据权利要求1所述的可实现方向图和频率扫描的贴片天线，其特征在 于贴片天线在转动条件下的频率扫描过程：

步骤一：首先给A电磁体(3)、B电磁体(4)加载电流，使其产生2300～2500A/m的偏置磁场；

步骤二：然后调节旋转柱，使旋转柱沿顺时针方向转动，旋转柱转过第一转角β₁后，通过HFSS仿真软件采集s参数的仿真结果，以及方向图的仿真结果；

步骤三：复位旋转柱至初始位置，调节旋转柱，使旋转柱沿顺时针方向转动，旋转柱转过第二转角β₂后，通过HFSS仿真软件采集s参数的仿真结果，以及方向图的仿真结果；

步骤四：复位旋转柱至初始位置，调节旋转柱，使旋转柱沿顺时针方向转动，旋转柱转过第三转角β₃后，通过HFSS仿真软件采集s参数的仿真结果，以及方向图的仿真结果。 

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