CN103700942A - 水平范围内可切换波束全向扫描的平面天线 - Google Patents

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王秉中
丁霄
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Abstract

本发明提出了一种水平范围内可切换波束全向扫描的平面天线，天线包括带馈电输入口的绝缘基板，设于基板下表面的金属接地板，设于基板上表面的发射体及其控制电路、馈电贴片，以馈电贴片为中心将绝缘基板等分为六个区域，每个区域内分设一控制电路，控制电路通过一隔直电容连接中心馈电贴片，另一端通过一馈线连接一发射体，从而每个区域内分别组成一相对独立的单元天线。本发明通过波束切换覆盖整个天线所在平面，实现了天线所在平面上的全覆盖，并且每个波束的工作状态除辐射方向不一样，其余参数一致，所以本发明天线工作状态稳定。

Description

水平范围内可切换波束全向扫描的平面天线
技术领域
本发明属于电子技术领域，特别涉及带有PIN二极管开关的波束可切换天线技术。
背景技术
由于越来越多的信息内容需要传输，现代通信系统对无线通信中的信息传输速率要求也越来越高，但是由于多径衰落的存在，数据传输速率随着信号传输距离的增加而减小。大量研究表明，恰当使用可切换波束的天线是一条解决此问题的途径。方向图可重构天线能根据通信环境的变化实时改变发射和接收天线的方向图，从而有效减弱噪声干扰，对抗多径衰落，提高信息传输速率。
文献“一种方向图可重构引向器开槽的印制准八木天线”(Nan Liu,Anguo Wang,JingPei.A pattern reconfigurable printed quasi-Yagi antenna with slots in thedirectors[C].20109th International Symposium on Antennas Propagation and EM Theory(ISAPE),Nov.292010-Dec.22010:275-278)设计了一种主波束可以指向四个不同方向的可重构天线（如图1）。该天线包括绝缘基板、印制在基板下表面的金属接地板、印制在基板上表面的分别朝四个不同方向的准八木单元天线，馈电点设于天线正中心，采用同轴馈线从天线下表面经馈电点对各单元天线进行馈电，馈电点四周分别设置四个开关，各开关另一端对应连接一个准八木天线，通过切换开关，使不同的单元天线工作以达到切换波束方向的目的。此天线可以在天线所在平面内的四个方向实现波束切换，但是由于该天线的每种波束状态的E面3dB波束宽度约为60°，所以在该平面存在约120°的盲区，并不能实现天线所在平面上的全覆盖。
发明内容
本发明提出了一种水平范围内可切换波束全向扫描的平面天线，使天线通过波束切换覆盖整个天线所在平面，并且设计了具体可行的波束开关控制电路。
本发明是通过以下技术方案实现的，天线包括带馈电输入口的绝缘基板，设于基板下表面的金属接地板，设于基板上表面的发射体及其控制电路、馈电贴片，其特征在于以馈电贴片为中心将绝缘基板等分为六个区域，在每个区域内分别设置一控制电路，控制电路分别通过一隔直电容连接中心馈电贴片，另一端通过一馈线连接一发射体，从而每个区域内分别组成一相对独立的单元天线；所述金属接地板为正六边形接地板，中心固定连接同轴电缆外导体，内导体穿过绝缘基板与上层馈电贴片连接。
所述控制电路由馈电贴片到发射体依次设置隔直电容、PIN二极管、贴片馈线；隔直电容与PIN二极管接点处通过一接地电感与金属地板连接，相邻单元天线通过高阻抗馈线使用同一接地电感，贴片馈线上另外设置一条依次连接电感和降压电阻的支路。
所述发射体为准八木单元天线，每个准八木单元天线由两个驱动振子及1-5个引向器组成，两个驱动振子分设于基板下表面和上表面，下层驱动振子通过一馈线与地板连接，上层驱动振子通过一馈线与控制电路的贴片馈线连接，且两驱动振子位于馈线的两侧；所述引向器位于基板的上表面，平行于驱动振子。
所述馈电贴片为一个小型的六边形金属贴片或圆形金属贴片。
所述绝缘基板为正六边形或圆形。
所述馈电贴片、馈线、贴片馈线、驱动振子、引向器及金属接地板刻蚀或印刷于绝缘基板，电感、电容、电阻、PIN二极管通过金属贴片焊盘连接。
本发明天线设计了偏置电路，低压直流控制信号源的正极连接在降压电阻一端，负极连接在地板上；在贴片馈线的一侧连接的电感，以阻止馈电点发出的射频信号进入直流控制信号源，电感的另一端连接的降压电阻，以防止直流控制信号电压过高烧坏PIN二极管；隔直电容起到阻止控制PIN二极管通断的直流信号流进馈电点的作用。工作时，当六个PIN二极管中的其中一个导通时，低压直流信号即通过馈线传输到与该二极管相连的发射体上，产生一个辐射波束。本发明天线包括六个相对独立的单元天线，每个单元天线的E面3dB波束宽度约为60°，所以在该平面不存在盲区，实现了天线所在平面上的全覆盖，并且每个波束的工作状态除辐射方向不一样，其余参数一致，所以本发明天线工作状态稳定。
附图说明
图1为背景技术一种方向图可重构引向器开槽的印制准八木天线的示意图；
图2为本发明实施例的正面示意图；
图3为本发明实施例的背面示意图；
图4为本发明实施例的侧面结构示意图；
图5为本发明实施例的回波损耗；
图6（a）为本发明实施例的一个工作模式的3D方向图；
图6（b）为本发明实施例的一个工作模式的H面方向图；
图6（c）为本发明实施例的一个工作模式的E面方向图。
图7为本发明实施例在工作频带内的增益。
图中:1.PIN二极管，2.降压电阻，3.电感，4.隔直电容，5.下表面驱动振子，6.上表面驱动振子，7.引向器，8.贴片馈线，9.馈线，10.高阻抗线，11.馈电贴片,12.金属接地板，13.绝缘基板，14.同轴馈线，15.焊盘。
具体实施方式
本实施例以中心工作频率为在5.5GHz的水平范围内可切换波束全向扫描的平面天线为例。
如图2、图3、图4所示，绝缘基板13为相对介电常数2.65、厚度0.8mm、边长72mm的聚四氟乙烯正六边形基板，金属接地板12为边长32mm的与绝缘基板对应的正六边形接地板，中心正六边形馈电贴片11边长为3mm，贴片馈线8（长×宽）为19.5×4.4mm，馈线9（长×宽）为8×0.7mm，高阻抗线10（长×宽）为11×0.4mm，驱动振子5、6（长×宽）为12.2×1.8mm，引向器7（长×宽）从内到外依次为15.4×2mm、14×2mm、11.7×2mm，各引向器之间的距离均为2mm，且引向器和驱动振子6之间的距离也为2mm，各焊盘15尺寸（长×宽）均为2×2mm。所述馈电贴片、馈线、贴片馈线、驱动振子、引向器、焊盘及金属接地板均为印刷于绝缘基板上厚度为0.07mm的金属铜。电感3的值为1mH，降压电阻2的阻值为2.2kΩ，隔直电容4的值为10pF，同轴馈线14的特性阻抗为50Ω。
将5V的直流电源的负极连接在金属接地板12上，正极连接在降压电阻的一端，利用直流电源控制PIN二极管1的通断，当二极管的其中一个导通而其他的均截止时，即为一种天线工作模式，所以此天线阵共有六种工作模式，每种工作模式对应一个波束指向。由于天线结构对称，六种工作模式下的回波损耗和增益相同。如图5所示，本实施例天线的工作频段为5.35GHz-5.70GHz。图6（a）为实施例的一个工作模式的3D方向图，图6（b）显示天线一种波束模式的H面3dB波瓣宽度为123.9°，图6（c）显示E面内3dB波瓣宽度为65.6°，所以切换六种模式可以无盲区的覆盖天线所在平面。图7显示本实施例天线在工作频段内增益为6.25dBi-6.65dBi，所以天线的增益平稳。
综上所述，本发明实现了通过切换PIN二极管开关切换波束，使天线在天线所在平面进行全向扫描，且天线增益平稳、各种工作状态稳定。

Claims (6)

1.一种水平范围内可切换波束全向扫描的平面天线，包括带馈电输入口的绝缘基板，设于基板下表面的金属接地板，设于基板上表面的发射体及其控制电路、馈电贴片，其特征在于以馈电贴片为中心将绝缘基板等分为六个区域，在每个区域内分别设置一控制电路，控制电路分别通过一隔直电容连接中心馈电贴片，另一端通过一馈线连接一发射体，从而每个区域内分别组成一相对独立的单元天线；所述金属接地板为正六边形接地板，中心固定连接同轴电缆外导体，内导体穿过绝缘基板与上层馈电贴片连接。
2.如权利要求1所述的水平范围内可切换波束全向扫描的平面天线，其特征在于所述控制电路由馈电贴片到发射体依次设置隔直电容、PIN二极管、贴片馈线；隔直电容与PIN二极管接点处通过一接地电感与金属地板连接，相邻单元天线通过高阻抗馈线使用同一接地电感，贴片馈线上另外设置一条依次连接电感和降压电阻的支路。
3.如权利要求1所述的水平范围内可切换波束全向扫描的平面天线，其特征在于所述发射体为准八木单元天线，每个准八木单元天线由两个驱动振子及1-5个引向器组成，两个驱动振子分设于基板下表面和上表面，下层驱动振子通过一馈线与地板连接，上层驱动振子通过一馈线与控制电路的贴片馈线连接，且两驱动振子位于馈线的两侧；所述引向器位于基板的上表面，平行于驱动振子。
4.如权利要求1所述的水平范围内可切换波束全向扫描的平面天线，其特征在于所述馈电贴片为一个小型的六边形金属贴片或圆形金属贴片。
5.如权利要求1所述的水平范围内可切换波束全向扫描的平面天线，其特征在于所述绝缘基板为正六边形或圆形。
6.如权利要求1所述的水平范围内可切换波束全向扫描的平面天线，其特征在于所述馈电贴片、馈线、贴片馈线、驱动振子、引向器及金属接地板刻蚀或印刷于绝缘基板，电感、电容、电阻、PIN二极管通过金属贴片焊盘连接。
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