CN103367890B - 双频微带方向图可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双频微带方向图可重构天线，主要解决现有的方向图可重构天线对频谱资源的利用率不高，方向图的扫描范围窄的问题。该天线包括矩形金属贴片(1)、环形金属贴片(2)和介质基板(9)，这两个金属贴片位于介质基板(9)的顶部，矩形金属贴片(1)上开有左边槽(3)和右边槽(4)；矩形金属贴片(1)与环形金属贴片(2)之间设有环形缝隙(12)，该环形缝隙(12)的中央设有上导通开关(5)、下导通开关(6)、左导通开关(7)和右导通开关(8)；介质基板(9)的中间设有馈电端口(10)；介质基板(9)的下面附着一层金属作为地板(11)。本发明提高了频谱资源的利用率，波束扫描的覆盖范围大，增益高，结构简单，低成本，易加工，低剖面，易集成，可用于无线通信系统。

Description

双频微带方向图可重构天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种双频微带方向图可重构天线，可用于无线通信中的不同天线阵列中。

技术背景

天线作为一种用来发射或接收无线信号的设备，在无线通信系统起到了不可或缺的作用，是各种民用和军用无线电系统必不可少的组成部分。随着电子信息技术的飞速发展，无线频谱资源日益拥挤，天线的小型化、多功能、大容量成为解决问题的核心。可重构天线作为一种新型天线，以满足现代通讯系统对设备“灵活多变”的需要为目的，已经受到越来越多的关注和重视。

其中，针对经典的单模式，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。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：

对于方案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3虽能很好的控制方向图不需要移相器，但缺点是频带窄。

利用方案2容易实现方向图形状的控制，且在目前国内外已经展开一系列研究工作，并取得了一些成果，但是现有的研究难以满足该天线在多个频段多个工作模式下完成信号的传输，对频谱资源的利用率不高，方向图的扫描范围窄，难以很好的满足移动终端和通信系统对天线“灵活多变”的需要。

发明内容

本发明针对以上问题，提出一种双频微带方向图可重构天线，以提高频谱资源的利用率，增大方向图的扫描范围，满足移动终端和通信系统对天线“灵活多变”的要求。

为实现上述目的，本发明的双频微带方向图可重构天线，包括：金属贴片、介质基板和地板，介质基板的中间设有馈电端口，介质基板的下面附着一层金属作为地板，其特征在于：

金属贴片包括矩形金属贴片和环形金属贴片，这两个金属贴片位于介质基板的顶部，该矩形金属贴片上开有左边槽和右边槽；

矩形金属贴片与环形金属贴片之间设有环形缝隙，该环形缝隙的中央设有上导通开关、下导通开关、左导通开关和右导通开关。

作为优选，矩形金属贴片和环形金属贴片均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2.2～2.65的有机高分子聚合物材料。

作为优选，上导通开关、下导通开关、左导通开关和右导通开关均采用微波二极管开关。

作为优选，上导通开关、下导通开关、左导通开关和右导通开关进一步均采用微机械电子开关。

作为优选，介质基板和矩形金属贴片均为矩形，第二环形贴片为矩形环。

作为优选，左边槽和右边槽的尺寸相同，槽的长度为6～10mm，槽的宽度为槽长的1/4。

作为优选，左边槽和右边槽中心对称，分布于距离介质基板(9)中心两侧的4～7mm处。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明由于在天线上蚀刻了左边槽和右边槽，可使方向图可重构天线在任意一种开关状态下工作在4.05-4.14GHz和4.87-4.98GHz双频波段，提高了频谱资源的利用率。

2.本发明通过切换开关的通断状态，使当前状态的方向图与切换状态后的方向图正交，并且由于在矩形金属贴片外围添加了环形金属贴片，使低频段的方向图和高频段的方向图也正交，进而使得该天线在不同的频段不同的状态下互不影响信息的收发工作，波束扫描的覆盖范围大，与传统微带天线相比，增益高。

3.本发明由于采用微带结构，使该天线具有微带天线的特点，即结构简单，低成本，易加工，低剖面，易集成。

附图说明

图1是本发明的天线整体结构图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明在上下开关导通时的反射系数仿真曲线；

图4是本发明在上下开关导通时低频段的辐射方向图；

图5是本发明在上下开关导通时高频段的辐射方向图；

图6是本发明在左右开关导通时的反射系数仿真曲线；

图7是本发明在左右开关导通时低频段的辐射方向图；

图8是本发明在左右开关导通时高频段的辐射方向图；

图9是本发明中的开关在导通状态时的等效电路图；

图10是本发明中的开关在断开状态时的等效电路图。

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

参考图1和图2，本发明包括：两个金属贴片、四个开关、馈电端口、同轴电缆、介质基板和地板。

两个金属贴片分别为矩形金属贴片1和环形金属贴片2，矩形金属贴片1尺寸为28.5mm×28.5mm，环形金属贴片2的内径为30mm×30mm，外径为40mm×40mm，这两个金属贴片位于介质基板9的顶部，该矩形金属贴片1上开有尺寸均为7mm×1.75mm的左边槽3和右边槽4，这两个槽中心对称，其位置在距离介质基板9中心5.5mm处。

矩形金属贴片1与环形金属贴片2之间设有环形缝隙12，该环形缝隙12的中央加载有尺寸均为1.2mm×1mm的四个二极管开关，分别作为上导通开关5、下导通开关6、左导通开关7和右导通开关8，工作时上导通开关5和下导通开关6同时导通或断开，对应的左导通开关7和右导通开关8同时断开或导通。开关在导通状态下可以等效为电阻，其等效电路如图9所示，电阻R_f的阻值为2Ω；开关在断开状态下可以等效为电容和电阻，其等效电路如图10所示，电容C_j的容值为0.5pF，电阻R_r的阻值为20kΩ；图9和图10中的L_s为二极管的封装电感，C_p为二极管的封装电容。

在大小为100mm×100mm×3mm，相对介电常数为2.2的介质基板9中央打孔作为馈电端口7，同轴电缆的内导体探针穿过介质基板9的孔洞并与矩形金属贴片1连接，在介质基板9下面附着一层金属作为地板8，同轴电缆的金属地线与地板8连接。

实施例2

参考图1和图2，本实例的结构与实施例1相同，其不同参数如下：

左边槽3和右边槽4的尺寸均为6mm×1.5mm，其位置在距离介质基板9中心4mm处，介质基板9的大小为100mm×100mm×3.8mm，相对介电常数为2.55。

实施例3

参考图1和图2，本实例的结构与实施例1相同，本实例采用四个微机械电子开关，置于矩形金属贴片1与环形金属贴片2之间的环形缝隙12中央，这四个微机械电子开关的等效电路如图9和图10所示。开关导通时，其等效电路如图9所示，电阻R_f的阻值为1Ω；开关断开时，其等效电路如图10所示，电容C_j的容值为2.3fF，电阻R_r的阻值为20Ω。图9和图10中的L_s为封装电感，C_p为封装电容。本实例与实施例1不同的参数如下：

左边槽3和右边槽4的尺寸为10mm×2.5mm，其位置在距离介质基板9中心7mm处，介质基板9的大小为100mm×100mm×5mm，相对介电常数为2.65。

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中的双频微带方向图可重构天线进行建模仿真，通过控制上下两个开关导通，左右两个开关断开得到天线的一种工作状态，从而得到天线单元在该工作状态下的工作频段和方向图如图3、图4和图5所示；通过控制左右两个开关导通，上下两个开关断开得到天线的另一种工作状态，从而得到天线单元在该工作状态下的工作频段和方向图如图6、图7和图8所示。

由图3(a)和图3(b)可以看出，在上下两个开关导通，左右两个开关断开时，该天线工作在4.07-4.14GHz和4.87-4.98GHz这两个频段。

由图4(a)和图4(b)可以看出，在4.07-4.14GHz工作频段内，辐射方向分别为θ=30°、和θ=-30°、方向图有两个波瓣，每个波瓣的半功率波瓣宽度均为60°，增益为6.98dB。

由图5(a)和图5(b)可以看出，在4.87-4.98GHz工作频段内，方向图有两个波瓣，辐射方向分别为θ=42°、和θ=-42°、每个波瓣的半功率波瓣宽度均为56°，增益为8.32dB。

在低频频段，上下开关在导通状态下使表面电流流向环形金属贴片，使得天线的辐射方向沿和，而左右开关在断开状态下使表面电流被阻，这样抑制了和方向的辐射，产生如图4的方向图；而在高频频段天线的工作模式被改变，使得天线沿和方向辐射，如此产生如图5的方向图。

由图6(a)和图6(b)可以看出，在左右两个开关导通，上下两个开关断开时，该天线工作在4.05-4.13GHz和4.90-4.98GHz这两个频段。

由图7(a)和图7(b)可以看出，在4.05-4.13GHz工作频段内，辐射方向分别为θ=34°、和θ=-34°、，方向图有两个波瓣，每个波瓣的半功率波瓣宽度均为46°，增益为6.59dB。

由图8(a)和图8(b)可以看出，在4.90-4.98GHz工作频段内，辐射方向分别为θ=42°、和θ=-42°、方向图有两个波瓣，每个波瓣的半功率波瓣宽度均为56°，增益为8.28dB。

在低频频段，左右开关在导通状态下使表面电流流向环形金属贴片，使得天线的辐射方向沿和，而上下开关在断开状态下使表面电流被阻，这样抑制了和方向的辐射，产生如图7的方向图；而在高频频段天线的工作模式被改变，使得天线沿和方向辐射，如此产生如图8的方向图。

以上描述仅是本发明的几个具体实例，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 (7)

1.一种双频微带方向图可重构天线，包括：金属贴片、介质基板和地板，介质基板(9)的中间设有馈电端口(10)，介质基板(9)的下面附着一层金属作为地板(11)，其特征在于：

金属贴片包括矩形金属贴片(1)和环形金属贴片(2)，这两个金属贴片位于介质基板(9)的顶部，且环形金属贴片(2)位于金属贴片(1)的外围，该矩形金属贴片(1)上开有左边槽(3)和右边槽(4)；

矩形金属贴片(1)与环形金属贴片(2)之间设有环形缝隙(12)，该环形缝隙(12)的中央设有上导通开关(5)、下导通开关(6)、左导通开关(7)和右导通开关(8)，上导通开关(5)和下导通开关(6)同时导通或断开，对应的左导通开关(7)和右导通开关(8)同时断开或导通。

2.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于：矩形金属贴片(1)和环形金属贴片(2)均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天线，其特征在于：介质基板(9)采用相对介电常数为2.2～2.65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天线，其特征在于：上导通开关(5)、下导通开关(6)、左导通开关(7)和右导通开关(8)，均采用微波二极管开关。

5.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于：上导通开关(5)、下导通开关(6)、左导通开关(7)和右导通开关(8)，进一步均采用微机械电子开关。

6.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于：矩形金属贴片(1)和介质基板(9)均为矩形，环形金属贴片(2)为矩形环。

7.根据权利要求1所述的方向图可重构天线，其特征在于：左边槽(3)和右边槽(4)的尺寸相同，槽的长度为6～10mm，槽的宽度为槽长的1/4。