CN103390795B - 一种方向图具有多种可重构特性的天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种方向图具有多种可重构特性的天线。其特点是采用电容耦合馈电方式，通过控制加载在贴片天线与接地金属条之间的PIN二极管，控制金属贴片成为辐射单元或地，从而使天线获得全向扫描或水平全向辐射特性。该天线包括辐射单元、底座和馈电网络。通过PIN二极管控制贴片与地的连通与断开，可实现辐射波束在水平面的扫描、全向辐射等多种可重构特性。本发明具有扫描步进小、增益高、设计理念新颖、馈电网络简单等优势，可广泛用于新型无线通信系统、无线追踪与定位系统等领域。

Description

一种方向图具有多种可重构特性的天线
技术领域
本发明涉及一种可重构天线，尤其涉及一种方向图具有多种可重构特性的天线。
背景技术
可重构天线是当前天线领域研究的前沿课题，也是未来天线的发展方向。随着无线通信系统的快速发展，天线系统的设计需要满足高信道容量、高传输速率等要求，为了降低系统设计的复杂度、简化电磁环境、节约能源，往往要求一个天线具有多种不同的工作模式，并且能够方便地在不同模式之间进行切换。方向图可重构天线是可重构天线的一大研究方向，通过方向图的扫描、旋转等可以将电磁能量集中于需要覆盖的范围，既能实现能量和空间资源的有效利用、改善系统增益，又能提高通信安全性、避免噪声干扰，因此，方向图可重构天线是可重构天线研究的热点。
实现方向图可重构的方法主要有机械扫描和电扫描两种，机械扫描是通过机械控制天线进行旋转移动等，这种方法需要复杂的控制系统，成本较高且不利于系统的小型化；电扫描最常用的方法是采用相控阵天线，然而相控阵天线又受到扫描角度的限制并且需要设计复杂的馈电网络。因此，通过简单的控制电路实现方向图的全向扫描成为方向图可重构天线的难点。
PIN二极管具有便于控制，价格低廉等优点，国内外已有许多科研人员将其应用于方向图可重构天线的设计中。如Mahmoud Niroo Jazi等人采用频率选择表面围成一个圆柱形包裹在偶极子天线的外部，在频率选择表面的谐振单元上加载PIN二极管，通过控制PIN二极管的通断，可以调节其谐振频率，从而在需要辐射的方向构造出电磁波透射窗口，在不需要辐射的方向则等效为反射面[见N. Jazi, T. A. Denidni, “AgileRadiation-pattern Antenna Based on Active CylindricalFrequency Selective Surfaces,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 9, 2010.]，不过这种方法需要较多数量的PIN二极管，且馈电网络比较复杂。再如Xiaotao Cai等人采用平面结构实现的六波束全向可重构天线，通过PIN二极管选择不同方向的枝节进行辐射[X. T. Cai, A. G. Wang, N. Ma, W. Leng, “A Novel Planar Parasitic Array Antenna with Reconfigurable Azimuth Pattern,” IEEE IEEE Antennasand Wireless Propagation Letters, Vol. 11, 2012]，然而其只能向六个方向辐射，扫描精度不高，增益也只有4 dB。本发明首次提出了微带贴片天线贴片与地可互换的概念，并由此设计出方向图全向可重构天线。由于本发明基于微带贴片天线进行设计，相比于已有文献中采用的单极子或偶极子形式的辐射单元增益更高，同时本发明所涉及的天线具有多种工作模式，提高了扫描精度和灵活性，同时具有馈电方式简单、便于控制、低成本等优点，具有重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种方向图具有多种可重构特性的天线。在性能上具备方向图全向可重构的同时，还可以根据需要提高扫描精度和多种工作模式，并且控制及馈电网络比较简单，以克服传统全向波束可重构天线馈电结构复杂、增益有限、扫描精度不足等缺点。
实现本发明目的的技术方案是：一种方向图具有多种可重构特性的天线，包括辐射单元、底座和馈电网络；所述辐射单元由印刷在基板上均匀分布的N（N为自然数，且N≥2）个长方形微带贴片、分布在微带贴片周围的接地金属条以及2N个PIN二极管构成；微带贴片，金属条均附着在介质基板的外表面上，介质基板首尾相接围成一个圆柱形，并且微带贴片与接地金属条之间的缝隙具有相同的宽度；PIN二极管的阳极焊接在微带贴片窄边的正中央，阴极焊接在接地金属条上；所述底座是一个中间有圆孔的金属圆盘，该圆盘位于接地金属条下方，并且与接地金属条焊接在一起；所述馈电网络包括直流控制电路、金属圆柱块以及同轴线；直流控制电路通过直流导线连接到每个微带贴片对PIN二极管进行控制；金属圆柱块位于辐射单元的内部，并且与辐射单元的中心轴线重合；同轴线的阻抗为50欧姆，其外导体与底座下表面焊接在一起，内导体穿过底座中央的圆孔与金属圆柱块相连。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明具有多种方向图可重构特性。本发明所涉及的天线具有多种工作方式，任意数量和位置的贴片进行组合都可以构造出一种工作方式：如单个贴片作为辐射单元，其他贴片接地时，波束指向有N个可选的辐射方向；两个相邻贴片作为辐射单元，其他贴片接地时，波束指向在两贴片中间，具有另外的N个可选辐射方向；所有贴片都作为辐射单元时，天线为水平全向辐射等。
（2）本发明扫描步进小且可根据需要减小步进角度。采用N个贴片时，本发明所涉及的天线共有2N种工作方式，若增加贴片的数量，可以获得更多的工作方式。
（3）本发明具有高增益的优势。如对于六个贴片的情况，单个贴片工作时，天线增益为7.60 dB；两个相邻贴片工作时，天线增益为8.79dB；所有贴片工作时，天线增益为2.93 dB等。
（4）本发明具有馈电网络简单、便于控制的优势。由于采用贴片和地可重构而非馈电网络的可重构实现扫描，因此可采用简单的馈电网络设计。并且PIN二极管直接焊接在贴片和地之间，不需要额外设计直流偏置电路，降低了加工复杂度。
本发明的目的、特征及优点将结合实施例，参照附图作如下进一步的说明。
附图说明
图1是本发明方向图具有多种可重构特性天线的结构示意图
图2是本发明天线结构的反射系数S11幅度仿真结果
图3是本发明天线结构在三种工作方式下的E面方向图仿真结果
具体实施方式
参见图1，本发明辐射单元采用国产F4B基板首尾相接围成一个高57.4mm、直径90 mm的圆柱，圆柱内表面为介质层，外表面均匀分布N=6个矩形贴片铜层（P1、P2、P3、P4、P5、P6），每个矩形贴片高45mm、宽35.3 mm，与基板底边距离为6.2 mm，相邻两个贴片相距11.7 mm。相邻两贴片之间、贴片与基板上下边缘之间分布有用于使PIN二极管接地的金属条，两贴片之间的金属条宽5.5 mm，与两贴片的距离相等，贴片与基板上下底边之间的金属条宽为5.4 mm。对于上述矩形贴片之一（如P1），PIN二极管（PIN11）的一端焊接在基板下边缘金属条上，另一端焊接在该矩形贴片下边缘中间，PIN二极管（PIN12）的一端焊接在该矩形贴片上边缘中间，另一端焊接在基板上边缘金属条上。上述六个贴片每个贴片都以相同的方式焊接两个PIN二极管，整个辐射单元共需要2N=12个PIN二极管。
底座2由一个直径为90 mm，中心挖去直径为2.3 mm的圆孔的金属圆盘构成，辐射单元置于该圆盘之上，辐射单元基板底边的金属条与该金属圆盘焊接在一起，从而金属圆盘即对辐射单元起到支撑作用，同时又是整个天线的参考地。
馈电网络采用铝块制成的一个高35 mm、直径66 mm的圆柱321，并与馈电同轴线322内导体相连，该圆柱321位于辐射单元的内部，圆柱与同轴线的中心轴线重合，交流馈电网络圆柱壁与贴片11平行，从而在两层金属之间构成一个耦合电容，达到耦合馈电的目的；同时同轴线322外导体与底座中心金属圆孔的边缘连接在一起，从而与天线系统的地相连，圆柱321的底边距底座2的高度为10 mm。
图2为本发明的反射系数S11幅度仿真结果。由反射系数S11幅度仿真结果可以看出该天线工作频率为2.4 GHz，反射系数S11小于-10 dB。
图3为本发明天线结构在三种工作模式下的E面辐射方向图仿真结果。当同一贴片上的两个PIN二极管同时导通时贴片与地导通，该贴片的工作状态记为0，当上述两个PIN二极管同时断开时贴片与地断开，贴片的工作状态记为1。实线为工作状态100000的E面辐射方向图仿真结果，其峰值增益为7.60 dB，点划线为工作状态000110的E面辐射方向图仿真结果，其峰值增益为8.79 dB，虚线为工作状态111111的E面辐射方向图仿真结果，其增益为2.93 dB。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种方向图具有多种可重构特性的天线，包括辐射单元、底座(2)和馈电网络，其特征在于：所述辐射单元由印刷在基板上均匀分布的N(N为自然数，且N≥2)个长方形微带贴片(11)、分布在微带贴片周围的接地金属条(12)以及2N个PIN二极管(13)构成；微带贴片(11)，金属条(12)均附着在介质基板的外表面上，介质基板首尾相接围成一个圆柱形，并且微带贴片(11)与接地金属条(12)之间的缝隙具有相同的宽度；每个贴片上焊接两个相同的PIN二极管(13)，其中一个的阳极焊接在微带贴片(11)的上窄边的正中央，阴极焊接在上侧的接地金属条(12)上，另一个的阳极焊接在微带贴片(11)的下窄边的正中央，阴极焊接在下侧的接地金属条(12)上；所述底座(2)是一个中间有圆孔的金属圆盘，该圆盘位于接地金属条(12)下方，并且与接地金属条(12)焊接在一起；所述馈电网络包括直流控制电路(31)、金属圆柱块(321)以及同轴线(322)；直流控制电路(31)通过直流导线连接到每个微带贴片(11)对PIN二极管(13)进行控制；金属圆柱块(321)的侧面与贴片平行，从而在两层金属之间构成一个耦合电容，达到耦合馈电的目的；上述金属圆柱(321)的直径决定其与辐射贴片之间的电磁耦合量大小，高度决定了其对辐射贴片的馈电位置，并且其与辐射单元的中心轴线重合；同轴线(322)的阻抗为50欧姆，其外导体与底座(2)下表面焊接在一起，内导体穿过底座(2)中央的圆孔与金属圆柱块(321)相连。
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