CN103296398B - 方向图可重构的微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种方向图可重构的微带天线，主要解决现有的方向图可重构天线电路结构复杂，能量损耗大的问题。该天线包括两个金属贴片和两个馈电端口，第一金属贴片(1)和第二金属贴片(2)，每个金属贴片的上下分别开有上平行槽(7和9)与下平行槽(8和10)，形成E形金属贴片结构；两个E形金属贴片均位于介质基板(5)的顶面，且两者之间设有缝隙(6)，呈轴对称结构；第一馈电端口(3)和第二馈电端口(4)，这两个馈电端口分别位于介质基板(5)的两侧，在不同的工作模式下，利用不同的端口馈电。本发明简化了天线结构，无需开关及偏置电路，降低了能量的损耗，并实现了方向图扫描，可用于天线阵列。

Description

方向图可重构的微带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别是涉及一种方向图可重构微带天线。
背景技术
随着电子信息技术的飞速发展，经典的单模式，即单一方向图的天线已经愈发不能满足雷达、飞行器对波束的控制和扫描等要求，这就使得方向图可重构天线应运而生，并得到越来越多的重视和发展。就现有的方向图可重构天线来说，有以下几种方案可以达到方向图的可重构：
1.通过改变辐射单元的相对位置控制方向图的形状和方向；
2.通过由电抗可变的单元组成的辐射孔径实现波束的形成和切换；
3.通过在馈线上采用光子带隙结构控制方向图；
4.通过改变网孔反射面的形状实现波束赋形。
上述这几种方案均存在不同程度的不足：
方案1和方案4，需要控制系统的配合，整个天线尺寸大，不便于操作，并且成本高不易于集成。
方案2其优点是容易实现方向图形状的控制，缺点在于辐射孔径和开关系统的配合比较繁琐。
方案3虽能很好的控制方向图不需要移相器，但缺点是频带窄。
目前，国内外已经研究出多种方向图可重构天线，但普遍存在的问题是天线结构复杂，电路设计复杂，开关较多，能量损耗大。方向图可重构微带天线作为方向图可重构天线重要的组成部分，解决了天线的体积问题，使其易于与载体共形，但现有的方向图可重构微带天线并没有改变电路设计复杂，开关较多的本质问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述微带天线的不足，提出一种电路设计简单，无需开关的方向图可重构微带天线。
为实现上述目的，本发明的方向图可重构微带天线，包括：金属贴片、馈电端口、介质基板和地板，地板位于介质基板的底面，其特征在于：
金属贴片包括第一金属贴片和第二金属贴片，每个金属贴片的上下分别开有上平行槽和下平行槽，形成E形金属贴片结构；两个E形金属贴片均位于介质基板的顶面，且两者之间设有缝隙，呈轴对称结构；
馈电端口包括第一馈电端口和第二馈电端口，这两个馈电端口分别位于介质基板的两侧，在不同的工作模式下，利用不同的端口馈电。
作为优选，第一金属贴片和第二金属贴片都采用铜表面镀银材质。
作为优选，介质基板采用相对介电常数为2.2～4.4的有机高分子聚合物材料。
作为优选，上平行槽与金属贴片上边缘的距离为4mm～6mm，下平行槽与金属贴片下边缘的距离为3mm～5mm。
作为优选，上平行槽与下平行槽的大小相同，槽的长度为6mm～8mm，槽的宽度为槽长的1/4。
作为优选，第一馈电端口和第二馈电端口与介质基板顶端的距离为8mm～10mm。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点：
1、本发明与传统方向图可重构天线，即利用偏置电路控制外加开关的通断状态来改变方向图的天线相比，无需开关及偏置电路，简化了天线结构，降低了能量的损耗；同时由于通过控制第一馈电端口和第二馈电端口的馈电状态，决定了天线的主单元和寄生单元，进而得到方向图的三种不同状态，实现了在同一工作频率上天线的方向图扫描；
2、本发明由于在方向图可重构微带天线上蚀刻平行槽，使天线成为两个轴对称的E形结构，使得天线的方向图可扫描上半空间±60度。
本发明在不同的工作模式下，工作频率保持不变，而方向图波束可以根据需要，向不同的方向偏转，指向需要通信的用户，也能够避开干扰源。这一特性可使本发明用于天线阵列实现波束扫描，例如相控阵、共形阵。
附图说明
图1是本发明方向图可重构微带天线的结构示意图，其中图(a)为立体图，图(b)为俯视图；
图2是本发明中由第一馈电端口馈电的辐射方向图；
图3是本发明中由第二馈电端口馈电的辐射方向图；
图4是本发明中由第一馈电端口和第二馈电端口同时馈电的辐射方向图；
图5是本发明在三种状态下的反射系数曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
如图1(a)和(b)所示，本发明包括：金属贴片、馈电端口、介质基板和地板。两个金属贴片分别为第一金属贴片1和第二金属贴片2，这两个金属贴片均采用铜表面镀银为材质，尺寸为30mm×15.8mm；两个馈电端口分别为第一馈电端口3和第二馈电端口4，这两个馈电端口分别位于介质基板5的两侧，其位置在距介质基板顶端下的9mm处；第一金属贴片1上蚀刻有平行槽7和下平行槽8，第二金属贴片2上蚀刻有上平行槽9和下平行槽10，这四个平行槽的尺寸均为1.75mm×7mm，上平行槽7和9与金属贴片的上边缘距离为5mm，下平行槽8和10与金属贴片的下边缘距离为4mm，两个金属贴片形成轴对称式的E形结构；两个金属贴片均位于介质基板5的顶面，且两者之间设有缝隙6；介质基板5的尺寸为40mm×40mm×3mm，相对介电常数为2.2；地板位于介质基板5的底面。
实施例2
如图1(a)和(b)所示，本实例的结构与实施例1相同，其不同参数如下：
介质基板5的尺寸为40mm×40mm×5mm，相对介电常数为2.65；馈电端口的位置在距介质基板顶端下的8mm处；上平行槽7和9与下平行槽8和10的尺寸均为1.5mm×6mm，上平行槽7和9与金属贴片的上边缘距离为4mm，下平行槽8和10与金属贴片的下边缘距离为5mm。
实施例3
如图1(a)和(b)所示，本实例的结构与实施例1相同，其不同参数如下：
介质基板5的尺寸为40mm×40mm×6mm，相对介电常数为4.4；馈电端口的位置在距介质基板顶端下的10mm处；上平行槽7和9与下平行槽8和10的尺寸均为2mm×8mm，上平行槽7和9与金属贴片的上边缘距离为6mm，下平行槽8和10与金属贴片的下边缘距离为3mm。
本发明的优点可通过对实施例1的仿真结果进一步说明：
对本发明实施例1中方向图可重构微带天线进行建模仿真，对馈电端口作不同的设置得到天线的三种不同状态，从而得到该天线单元的方向图如图2、图3和图4所示。
从图2(a)和图2(b)中可以看出，由第一馈电端口3馈电时，该天线的主辐射方向为θ=26o，半功率波瓣宽度为70°，此时通过图5可以看出，天线中心频率为3.05GHz；
从图3(a)和图3(b)中可以看出，由第二馈电端口4馈电时，该天线的主辐射方向为θ=30o，半功率波瓣宽度为72°，此时通过图5可以看出，天线中心频率为3.05GHz；
从图4(a)和图4(b)中可以看出，由第一馈电端口3和第二馈电端口4同时馈电时，该天线的主辐射方向为Z轴正方向，半功率波瓣宽度为80°，此时通过图5可以看出，天线中心频率为3.05GHz。
由此可见，当天线工作时，第一馈电端口3和第二馈电端口4的馈电状态决定了天线的有效辐射结构，从而控制天线的主辐射方向。
通过图5可以看出，这三种状态下天线的工作频率均为3GHz～3.15GHz，使得该天线在工作频率保持不变的情况下完成了方向图的重构。
本发明使用一个天线单元完成了在同一工作频率上方向图波束扫描的功能，并且方向图可扫描上半空间的±60度区域，适用于相控阵和各种曲面的共形阵列；另一方面，本发明实施例提供的方向图可重构天线，不需要在天线本身上附加开关，简化了电路的设计，减小了能量损耗，增加了能量辐射效率；在加工方面结构简单，易于加工，降低了制作的复杂度和成本，从而减少了天线功率的损耗。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种方向图可重构微带天线，包括：金属贴片、馈电端口、介质基板和地板，地板位于介质基板的底面，其特征在于：
金属贴片包括第一金属贴片(1)和第二金属贴片(2)，第一金属贴片的上下分别开有上平行槽(7)和下平行槽(8)，第二金属贴片的上下分别开有上平行槽(9)和下平行槽(10)，形成E形金属贴片结构；两个E形金属贴片均位于介质基板(5)的顶面，且两者之间设有缝隙(6)，呈轴对称结构；
馈电端口包括第一馈电端口(3)和第二馈电端口(4)，这两个馈电端口分别位于介质基板(5)的两侧，在不同的工作模式下，利用不同的端口馈电。
2.根据权利要求1所述的方向图可重构微带天线，其特征在于：第一金属贴片(1)和第二金属贴片(2)都采用铜表面镀银材质。
3.根据权利要求1所述的方向图可重构微带天线，其特征在于：介质基板(5)采用相对介电常数为2.2～4.4的有机高分子聚合物材料。
4.根据权利要求1所述的方向图可重构微带天线，其特征在于：第一金属贴片的上平行槽(7)和第二金属贴片的上平行槽(9)与各自所在的金属贴片的上边缘距离为4mm～6mm，第一金属贴片的下平行槽(8)和第二金属贴片的下平行槽(10)与各自所在的金属贴片的下边缘距离为3mm～5mm。
5.根据权利要求1所述的方向图可重构微带天线，其特征在于：第一金属贴片的上平行槽(7)和第二金属贴片的上平行槽(9)与第一金属贴片的下平行槽(8)和第二金属贴片的上平行槽(10)的大小相同，槽的长度为6mm～8mm，槽的宽度为槽长的1/4。
6.根据权利要求1所述的方向图可重构微带天线，其特征在于：第一馈电端口(3)和第二馈电端口(4)与介质基板(5)的顶端距离为8mm～10mm。
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