CN102694277B - 基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线 - Google Patents

Abstract

基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线，它涉及一种天线，具体涉及一种方向图可重构天线，以解决现有的可重构天线结构复杂以及不能在多个不同的频率下同时工作的问题，它包括第一金属片、圆金属形馈电片、介质板、四个第二金属片、四个金属开口谐振环和八个开关，介质板的下表面附着有一层金属片，介质板的上表面的中部附着有圆形金属馈电片，四个金属开口谐振环阵列附着围绕于圆形金属馈电片的周围，所述每个金属开口谐振环为圆形的同心内外双环结构，每个金属开口谐振环的其中一个内环开口处设置有一个开关，每个金属开口谐振环的与另一个内环开口相邻的外环开口处设置有一个开关，本发明用于无线通信系统中。

Description

基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线

技术领域

本发明涉及一种天线，具体涉及一种方向图可重构天线。

背景技术

天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件，在无线通信系统中起到了举足轻重的作用，是无线通信系统中不可缺少的组成部分。随着高频卫星通信系统、雷达、无线通信系统，尤其是全球3G和4G网络建设的飞速发展，对天线的要求也越来越高。一方面，需要使天线能够工作在多个频带，具有多种工作模式并具有良好的传输性能。另一方面，又要减轻天线的重量、减小天线体积并降低成本。天线的主要功能分为两方面：一方面，天线可以将能量转换；另一方面，天线用来发射或者接收电磁波，形成空间无线互联。在无线通信应用领域中，为了提高信道的容量，展宽通信的带宽，增加系统的功能，在同一个系统中人们不得不应用多个用于发射和接收的天线。这样一来，多个天线之间的隔离问题又摆在了研究人员的眼前。可以说解决这样问题的方法有两种：一种是在多个天线之间加入隔离装置，但是系统的复杂性被大大的提高，而且隔离器会影响收发天线之间的信号强度；另一种方法是将多个天线融合为一种天线，使得一个天线能完成多项任务，这便是可重构天线。

可重构天线是利用单个天线，或者多个天线的天线阵，通过改变天线的物理尺寸来改变天线表面电流，从而实现天线性能的可重构，这种方法有别于多个不同的天线共用一个基本的物理模型。可重构天线按照功能分类可以分为频率可重构天线（其中包括实现多频带或者实现宽频带）、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以实现天线的频率、方向图、极化方式等多种工作模式，有利于在通信的传输中实现多种性能的有效分集。但是，现有的可重构天线基于机械转轴的理念利用移相器实现方向图扫描，这种天线结构复杂，体积大，重量大，而且，这种天线在多个不同的频率下不能同时工作，如果应用某一个频率模式，另一个工作频率模式必须停止工作，否则两种模式将相互影响干扰，相互制约，不能满足天线在多个频带和多种工作模式下的传输性能的需要，通讯系统的功能受到限制。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的可重构天线结构复杂以及不能在多个不同的频率下同时工作的问题，进而提供一种基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线包括第一金属片、圆金属形馈电片、介质板、四个第二金属片、四个金属开口谐振环和八个开关，介质板的下表面附着有一层第一金属片，介质板的上表面的中部附着有圆形金属馈电片，四个金属开口谐振环阵列附着围绕于圆形金属馈电片的周围，所述每个金属开口谐振环为圆形的同心内外双环结构，每个金属开口谐振环的圆心附着有一个第二金属片，每个金属开口谐振环的内环具有两个内环开口，每个金属开口谐振环的外环具有两个外环开口，每个金属开口谐振环的两个内环开口和两个外环开口的开口方向均相同，每个金属开口谐振环的其中一个内环开口处设置有一个开关，每个金属开口谐振环的与另一个内环开口相邻的外环开口处设置有一个开关，每个金属开口谐振环上设置的两个开关导通时两个开关处的电流方向相反，所述每个开关均为能用外置电路来控制的变容二极管。

本发明的有益效果是：一、本发明利用加载二极管开关的形式，实现了方向图可重构特性，不同于以往的形式，这种加载二极管的双开口环结构可以更容易的实现方向图可重构，本发明天线远没有需要移相器的天线结构复杂，结构简单，体积小，重量轻，易于加工，由于相对剖面相对很低，容易大批量生产以及集成；

二、转换速度快，本发明使用是由外置的偏置电路来控制不同二极管的开与关，通过容值的变换实现方向图的微调，以及对天线谐振状态的调整，各个方向的波瓣扫描速度要远快于带有移相器结构的械转轴的速度；

三、本发明可实现方向图和频率同时可重构的天线。本发明能在7.5-7.8GHz和8.10-8.20GHz多个不同的频率下同时工作，不同频率的工作模式互不影响，互不干扰，在方向图可重构的情况下，同时实现了频率可重构，解决了现有的可重构天线在多个不同的频率不能同时工作的问题；

四、本发明的多频方向图可重构天线的单元结构基于左手介质中的双开口环结构。实现了天线的小型化设计，单元结构小型化40%。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图，图2是图1的俯视图，图3是本发明天线的基本工作模式的谐振深度仿真曲线图，图4是本发明天线的下端射工作模式的谐振深度仿真曲线图，图5是本发明天线的上端射工作模式的谐振深度仿真曲线图，图6是本发明天线的右端射工作模式的谐振深度仿真曲线图，图7是本发明天线的左端射工作模式的谐振深度仿真曲线图，图8是本发明的天线上下端射工作模式的谐振深度仿真曲线图，图9是本发明天线的斜端射工作模式的谐振深度仿真曲线图，图10是本发明天线的基本工作模式的远场方向图，图11是本发明天线的上端射工作模式的远场方向图，图12是本发明天线的下端射工作模式的远场方向图，图13是本发明天线的右端射工作模式的远场方向图，图14是本发明天线的左端射工作模式的远场方向图，图15是本发明天线的上下端射工作模式的远场方向图，图16是本发明天线的第一种斜端射工作模式的远场方向图，图17是本发明天线的第二种斜端射工作模式的远场方向图，图18是本发明天线的第三种斜端射工作模式的远场方向图，图19是本发明天线的第四种斜端射工作模式的远场方向图，图20是本发明天线的基本工作模式的原理图（箭头方向表示电流路径），图21是本发明天线的开关导通时工作模式的原理图（箭头方向表示电流路径），图22是本发明天线的开关导通时基本工作模式的原理图（箭头方向表示电流路径）。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线包括第一金属片1、圆金属形馈电片2、介质板3、四个第二金属片4、四个金属开口谐振环5和八个开关6，介质板3的下表面附着有一层第一金属片1，介质板3的上表面的中部附着有圆形金属馈电片2，四个金属开口谐振环5阵列附着围绕于圆形金属馈电片2的周围，所述每个金属开口谐振环5为圆形的同心内外双环结构，每个金属开口谐振环5的圆心附着有一个第二金属片4，每个金属开口谐振环5的内环具有两个内环开口5-1，每个金属开口谐振环5的外环具有两个外环开口5-2，每个金属开口谐振环5的两个内环开口5-1和两个外环开口5-2的开口方向均相同，每个金属开口谐振环5的其中一个内环开口5-1处设置有一个开关6，每个金属开口谐振环5的与另一个内环开口5-1相邻的外环开口5-2处设置有一个开关6，每个金属开口谐振环5上设置的两个开关6导通时两个开关6处的电流方向相反，所述每个开关6均为能用外置电路来控制的变容二极管。

本实施方式的每个金属开口谐振环的圆心附着的一个第二金属片，目的是为了加强电流的耦合方式。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的每个金属开口谐振环5的内环内切圆直径D1为1mm-3mm，外环内切圆直径D2为3mm-5mm，线宽K为1mm-2mm，开口间距g为0.8mm-1.2mm，谐振环的厚度为0.03mm-0.04mm。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述介质板3为正方形介质板，如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述介质板3的长度L为30mm，宽度W为30mm，厚度H为2mm。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述介质板3采用介电常数为2.2，厚度为2mm的环氧玻璃布层压板制成。如此设置，介质板的电气性能良好，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。

实施例：结合图1—图22进一步说明本发明，为了便于说明本实施例，如图2所示，将四个金属开口谐振环由右上端的谐振环开始按逆时针分别划分为第一象限Ⅰ、第二象限Ⅱ、第三象限Ⅲ和第四象限Ⅳ，每个象限的两个开关（变容二极管）处于关闭状态（非导通）时，天线的工作模式称为基本模式，任何一个象限的两个开关（变容二极管）处于导通状态时，天线的工作模式称为可控模式。

设计采用30mm×30mm的正方形第一金属片，采用30mm×30mm×2mm的介电常数为2.2的正方形FR-4环氧介质板，金属开口谐振环的内环内切圆直径为2mm，外环内切圆直径为4mm，线宽为1mm，开口间距为1mm，谐振环的厚度为0.035mm，通过仿真测试，本实施例天线基本模式下的谐振频率为8.12-8.18GHz，图3所示的是本实施例天线基本模式下S参数仿真曲线，由曲线图可知，在8.173GHz，有良好的谐振状态，最大谐振深度在-28dB，天线带宽3.75%，经仿真结果表明，天线的远场增益是7.717dBi，辐射方向为前向两侧的辐射，主辐射方向为40°和140°，3dB带宽为50.8°，即在左前辐射方向，辐射范围是15°到65°，右前辐射方向，辐射范围是115°到165°，本实施例天线的基本模式的远场方向图，如图10所示。

下面对可控模式作进一步说明，本实施例中二极管开关的闭合与断开通过外置的偏置电路来控制，通过容值的变换实现方向图的微调。

可控模式一：上端射模式，将第二象限内的两个开关闭合（导通），其余各象限的开关关闭，实现方向图为竖直斜向上辐射，通过仿真测试，得出如图4所示的本实施例天线S参数仿真曲线，由曲线图可知，本实施例天线在7.624GHz发生谐振，有良好的谐振状态，谐振深度为-35dB，天线带宽为2.67%，经仿真结果表明，本实施例天线的上端射辐射波瓣的增益为7.741dBi，天线的主辐射方向为31°，天线的3dB带宽为69.8°，天线的辐射范围是从0°到70°，天线的上端射模式的远场方向图如图11所示；对于基本模式而言，经仿真结果表明，在可控的上端射模式工作的情况下，天线的基本模式不受影响，如图4，天线在8.16GHz处仍然有良好的谐振，谐振深度为-31dB，天线带宽约为3.8%，天线在此频率下的远场增益为7.716dBi，辐射方式依旧是前向两侧辐射，左前辐射方向，辐射范围是15°到65°，右前辐射方向，辐射范围是115°到165°，如图10所示。上述说明，本发明的天线能在基本模式和上端射模式同时存在下工作，即在不同频率下能同时工作，互不影响和干扰，实现了方向图可重构特性。

可控模式二：下端射模式，将第四象限内的两个开关闭合（导通），其余各象限的开关关闭，方向图为竖直斜向下辐射，通过仿真测试，得出如图5所示的本实施例天线S参数仿真曲线，由曲线图可知，本实施例天线在7.624GHz发生谐振，有良好的谐振状态，谐振深度为-30dB，经仿真结果及对称结构的特点可知，天线的下端射辐射波瓣的增益为7.741dBi，天线的主辐射方向为-31°，天线的3dB带宽为69.8°，即天线的辐射范围是从0°到-70°，天线的下端射模式的远场方向图如图12所示；对于基本模式而言，经仿真结果表明，在可控的下端射模式工作的情况下，天线的基本模式不受影响，如图5所示，天线在8.16GHz处仍然有良好的谐振，谐振深度为-33dB，天线在此频率下的远场增益为7.716dBi，辐射方式依旧是前向两侧辐射，左前辐射方向，辐射范围是15°到65°，右前辐射方向，辐射范围是115°到165°，如图10所示。上述说明，本发明的天线能在基本模式和下端射模式同时存在下工作，即在不同频率下能同时工作，互不影响和干扰，实现了方向图可重构特性。

可控模式三：右端射模式，将第二象限的两个开关和第三象限内的两个开关闭合（导通），其余各象限的开关关闭，方向图为水平右斜向前辐射，通过仿真测试，得出如图6所示的本发明天线S参数仿真曲线，由曲线图可知，本实施例天线在7.624GHz发生谐振，有良好的谐振状态，谐振深度为-15dB，经仿真结果可知，天线的远场增益为8.7dBi，天线的主辐射方向为15°，3dB带宽为67.3°，即天线的辐射范围为-17°到45°，天线的右端射模式的远场方向图如图13所示；对于基本模式而言，在可控的右端射模式工作的情况下，天线的基本模式不受影响，如图6所示，天线在8.128GHz处仍然有良好的谐振，谐振深度为-19dB，天线在此频率下的远场增益为7.899dBi，辐射方式依旧是前向两侧辐射，左前辐射方向，辐射范围是15°到65°，右前辐射方向，辐射范围是115°到165°，如图10所示。上述说明，本发明的天线能在基本模式和右端射模式同时存在下工作，即在不同频率下能同时工作，互不影响和干扰，实现了方向图可重构特性。

可控模式四：左端射模式，将第一象限的两个开关和第四象限内的两个开关闭合（导通），其余各象限的开关关闭，方向图为水平左斜向前辐射，通过仿真测试，得出如图7所示的本发明天线S参数仿真曲线，由曲线图可知，本实施例天线在7.624GHz发生谐振，有良好的谐振状态，谐振深度为-15dB，经仿真结果及对称结构的特点可知，天线的远场增益为8.7dBi，天线的主辐射方向为-15°，3dB带宽为67.3°，即天线的辐射范围为17°到-45°，天线的左端射模式的远场方向图如图14所示；对于基本模式而言，在可控的左端射模式工作的情况下，天线的基本模式不受影响，如图7所示，天线在8.128GHz处仍然有良好的谐振，谐振深度为-19dB，天线在此频率下的远场增益为7.899dBi，辐射方式依旧是前向两侧辐射，左前辐射方向，辐射范围是15°到65°，右前辐射方向，辐射范围是115°到165°，如图10所示。上述说明，本发明的天线能在基本模式和左端射模式同时存在下工作，即在不同频率下能同时工作，互不影响和干扰，实现了方向图可重构特性。

可控模式五：上下端射模式，将第二象限的两个开关和第四象限内的两个开关闭合（导通）其余各象限的开关关闭，或将第一象限的两个开关和第三象限内的两个开关闭合（导通），其余各象限的开关关闭，方向图为竖直斜前方两向辐射，通过仿真测试，得出如图8所示的本发明天线S参数仿真曲线，由曲线图可知，本实施例天线在7.624GHz发生谐振，有良好的谐振状态，谐振深度为-16dB，经仿真结果可知，天线的远场增益为6.962dBi，天线的主辐射方向为40°和140°，3dB带宽为58.6°，即天线的辐射范围为11°到69°及111°到169°，天线的左端射模式的远场方向图，如图15所示；对于基本模式而言，在可控的上下端射模式工作的情况下，天线的基本模式不受影响，如图8所示，天线在8.128GHz处仍然有良好的谐振，谐振深度为-17.8dB，天线在此频率下的远场增益为7.708dBi，辐射方式依旧是前向两侧辐射，左前辐射方向，辐射范围是15°到65°，右前辐射方向，辐射范围是115°到165°，如图10所示。上述说明，本发明的天线能在基本模式和上下端射模式同时存在下工作，即在不同频率下能同时工作，互不影响和干扰，实现了方向图可重构特性。

可控模式六：斜端射模式，根据中心对称的原则，改变开关状态，可以实现四种斜端射工作模式如表1所示。

表1：不同象限的斜端射模式对应的方向图分布情况

对于每一个斜端射工作模式，天线的远场方向图的偏离角度，天线的主波瓣辐射方向，3dB带宽，谐振深度以及对应的基本工作模式的方向图，增益，以及波瓣宽度都是相同的，通过仿真测试，得出如图9所示的本实施例天线S参数仿真曲线，由曲线图可知，天线在7.579GHz发生谐振，有良好的谐振状态，谐振深度为-21dB，天线的远场增益为8.028dBi，天线辐射方向为40°，3dB带宽为60°，也即天线辐射范围为10°到70°，偏离角度为：天线的斜端射模式的远场方向图分别如图16、图17、图18和图19所示；对于基本模式而言，在可控的斜端射模式工作的情况下，天线的基本模式不受影响，如图9所示，天线在8.128GHz处仍然有良好的谐振，谐振深度为-16dB，天线在此频率下的远场增益为7.708dBi，辐射方式依旧是前向两侧辐射，左前辐射方向，辐射范围是15°到65°，右前辐射方向，辐射范围是115°到165°，如图10所示。上述说明，本发明的天线能在基本模式和斜端射模式同时存在下工作，即在不同频率下能同时工作，互不影响和干扰，实现了方向图可重构特性。

综上所述，将本发明的天线的开关（变容二极管）进行不同的闭合与断开，天线将工作在不同的工作模式，可以实现同一频率下，八个主要方向的辐射锥形扫描，也可以实现不同可控工作模式下，基本工作模式的独立工作辐射。无论在那种可调模式下，天线都工作在几乎不变的频率下，即同频的方向图可控，这样，并没有利用机械化转轴，天线就可以快速的进行方向图控制。再有，无论在那种可调模式下，天线的基本工作模式都没有受到很大的影响，也就是说，对于基本模式的频率下，在关心的两个方向上，天线不间断的监视工作。

工作原理

基本模式的工作状态下的电流的路径，如图20所示，由于没有二极管的连接，或者说在外接偏置电路的控制下，使得二极管关闭而没有导通。此时，电流沿着上下两个半圆的金属臂变化，从而产生的电磁场最大辐射方向是水平两个方向。阵列之后，如果没有任何开关闭合，那么所有的单元方向图将会是一样的，方向图在适当的距离上相互叠加，形成基本模式的远场方向图。

如图22所示，当二极管处于单项导通的状态时，在基本模式的工作频率下，电流依旧可以沿着上下两臂进行时变，与之前图20所对比可知，仅是电流的大小稍有差别，因而产生的电磁场方向图是不变的，增益会略有损失。

如图21所示，由于二极管的导通，使得电流在可变模式下，电流有了新的路径，即在开口连接处，产生很明显的电流传输，此时，对于单元结构来讲，时变电流所产生的电磁场就会在其可变工作频率下，产生方向图的变化，最大辐射方向是沿着竖直上下两个方向。这样一来，当天线单元阵列成天线的时候，在适当的物理距离上，各单元的方向图相互叠加，形成不同的方向辐射。通过控制开关闭合的数目，就可以控制整个天线的扫描路线。对于不同的工作模式，改变二极管开关的个数，就可以改变导通单元结构的个数，在不同的导通个数情况下，方向图就会有不同的综合情况。

Claims (5)

1.基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线，其特征在于：所述天线包括第一金属片（1）、圆形金属馈电片（2）、介质板（3）、四个第二金属片（4）、四个金属开口谐振环（5）和八个开关（6），介质板（3）的下表面附着有一层第一金属片（1），介质板（3）的上表面的中部附着有圆形金属馈电片（2），四个金属开口谐振环（5）阵列附着围绕于圆形金属馈电片（2）的周围，所述每个金属开口谐振环（5）为圆形的同心内外双环结构，每个金属开口谐振环（5）的圆心附着有一个第二金属片（4），每个金属开口谐振环（5）的内环具有两个内环开口（5-1），每个金属开口谐振环（5）的外环具有两个外环开口（5-2），每个金属开口谐振环（5）的两个内环开口（5-1）和两个外环开口（5-2）的开口方向均相同，每个金属开口谐振环（5）的其中一个内环开口（5-1）处设置有一个开关（6），每个金属开口谐振环（5）的与另一个内环开口（5-1）相邻的外环开口（5-2）处设置有一个开关（6），每个金属开口谐振环（5）上设置的两个开关（6）导通时两个开关（6）处的电流方向相反，所述每个开关（6）均为能用外置电路来控制的变容二极管。

2.根据权利要求1所述的基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线，其特征在于：每个金属开口谐振环（5）的内环内切圆直径（D1）为1mm-3mm，外环内切圆直径（D2）为3mm-5mm，线宽（K）为1mm-2mm，开口间距（g）为0.8mm-1.2mm，谐振环的厚度为0.03mm-0.04mm。

3.根据权利要求2所述的基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线，其特征在于：所述介质板（3）为正方形介质板。

4.根据权利要求3所述的基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线，其特征在于：所述介质板（3）的长度（L）为30mm，宽度（W）为30mm，厚度（H）为2mm。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线，其特征在于：所述介质板（3）采用介电常数为2.2，厚度为2mm的环氧玻璃布层压板制成。

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