CN104810616B - 一种频率和极化可编程贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率和极化可编程贴片天线，包括从上向下依次设置的第一金属覆盖层，介质层、第二金属覆盖层和四个金属化通孔；第一金属覆盖层包括馈电线和辐射贴片，馈电线包括能与外部馈电端口相连的微带线，微带线通过高阻线连接辐射贴片的一边；辐射贴片为正方形的金属贴片，在靠近辐射贴片另一边即辐射边的位置蚀刻有一个缝隙，缝隙与辐射边平行；金属化通孔位于缝隙弯折部分的两侧、两端分别连接第一金属覆盖层和第二金属覆盖层，金属化通孔上分别设有开关，当某个开关导通时，第一金属覆盖层通过这个开关所控制的金属化通孔与第二金属覆盖层相连。本发明的有益效果是提供了馈电网络结构简单、体积小、工作模式多样的可编程天线。

Description

一种频率和极化可编程贴片天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种频率和极化可编程贴片天线。
背景技术
随着无线通信系统的迅速发展，天线作为其中的关键部件，需要能适应多变的环境以及更小的设计空间。为了提高信息容量和天线对环境的适应度，就需要对其进行可重构的设计。可编程天线是可重构天线的一种实现方法，首先要在单一天线上构造尽可能多的工作模式，其次，每种工作模式可以通过一个或多个开关进行选择，通过对开关状态进行编程控制就能够实现在多种工作模式之间的灵活切换。与通常的可重构天线相比，可编程天线的优势在于可实现的工作模式多以及可以简单迅速地进行切换。
可编程技术在微波器件的应用由来已久，包括增益可编程的放大器、频率可编程的振荡源、可编程滤波器以及可编程的数字移相器等等，但是在天线领域可编程技术的应用范围还不甚广泛。对天线进行可重构设计一般分为对馈电网络进行可重构和对天线结构进行可重构两种方法。对馈电网络可重构可以通过改变不同端口的馈电相位来使天线工作在不同的极化特性下，但是由于天线的工作频率一般主要由其结构的谐振长度决定，因此这种方法很难同时对天线的工作频率进行可重构。对天线的结构进行可重构可以改变其工作频率和极化，但是对天线结构的破坏会伴随性能的恶化，同时不同模式之间的影响不可避免，因此这种方法可以实现的模式选择数量比较受限。已有的可编程天线除了对单个单元进行控制的阵列天线以外，就是对反射面相位进行编程控制的反射阵天线，然而这两种实现方法都具有较大的体积、复杂的馈电以及数量庞大的开关。因此，本发明致力于实现一种结构简单、模式多样、易于控制的可重构贴片天线。
发明内容
本发明的目的在于提供一种频率和极化可编程贴片天线，解决了现有可编程天线体积大、馈电网络复杂、工作模式有限的缺点。
本发明所采用的技术方案是包括从上向下依次设置的第一金属覆盖层，介质层、第二金属覆盖层、第一金属化通孔、第二金属化通孔、第三金属化通孔、第四金属化通孔；
所述第一金属覆盖层包括馈电线和辐射贴片，馈电线包括能与外部馈电端口相连的微带线，微带线通过高阻线连接辐射贴片的一边；辐射贴片为正方形的金属贴片，在靠近辐射贴片另一边即辐射边的位置蚀刻有一个缝隙，缝隙与辐射边平行；
第一金属化通孔、第二金属化通孔、第三金属化通孔、第四金属化通孔位于缝隙弯折部分的两侧、两端分别连接第一金属覆盖层和第二金属覆盖层，在第一金属化通孔、第二金属化通孔、第三金属化通孔、第四金属化通孔上分别设有开关，当某个开关导通时，第一金属覆盖层通过这个开关所控制的金属化通孔与第二金属覆盖层相连。
进一步，所述缝隙的中间部分呈首尾相接的U形，且U形边垂直于辐射边。
进一步，所述介质层与第二金属覆盖层为面积相同的正方形，其面积大于第一金属覆盖层。
进一步，所述开关为PIN二极管开关、MEMS开关或者机械式金属连接型开关。
本发明的有益效果是提供了馈电网络结构简单、体积小、工作模式多样的可编程天线。
附图说明
图1是本发明频率和极化可编程贴片天线结构示意图；
图2是本发明实施例的第一金属覆盖层结构示意图；
图3是实施例的缝隙和开关示意图。
图中，1.第一金属覆盖层，2.介质层，3.第二金属覆盖层，41.第一金属化通孔，42.第二金属化通孔，43.第三金属化通孔，44.第四金属化通孔，5.微带线，6.高阻线，7.缝隙。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明天线如图1所示，包括从上向下依次设置的第一金属覆盖层1，介质层2、第二金属覆盖层3、第一金属化通孔41、第二金属化通孔42、第三金属化通孔43、第四金属化通孔44；第一金属覆盖层1包括馈电线和辐射贴片，馈电线包括能与外部馈电端口相连的50Ω的微带线5，微带线5通过高阻线6连接辐射贴片的一边；辐射贴片为正方形的金属贴片，在靠近辐射贴片另一边即辐射边的位置蚀刻有一个缝隙7，缝隙7与辐射边平行，缝隙7的中间部分弯折，最好呈首尾相接的U形，且U形边垂直于辐射边；第一金属化通孔41、第二金属化通孔42、第三金属化通孔43、第四金属化通孔44位于缝隙7弯折部分的两侧、两端分别连接第一金属覆盖层1和第二金属覆盖层3，在第一金属化通孔41、第二金属化通孔42、第三金属化通孔43、第四金属化通孔44上分别设有开关，当某个开关导通时，第一金属覆盖层1通过这个开关所控制的金属化通孔与第二金属覆盖层3相连；其中，开关优选PIN二极管开关。介质层2与第二金属覆盖层3为面积相同的正方形，其面积大于第一金属覆盖层1。高阻线6能设置为不同长度和宽度。
本发明的技术方案的原理是：改变上述高阻线6的长度和宽度可以匹配到不同的输入阻抗，同时加载开关可以对阻抗匹配进行改善，所以可以将高频匹配到最佳，使低频的失配用开关来改善。上述弯折缝隙7的位置靠近贴片的辐射边，对于TM100模，贴片的辐射边为电流零点，缝隙7的影响很小；对于TM200模，缝隙7所处位置的电流较大，又与谐振电流的方向垂直，从而对电流的干扰比较大。当缝隙7的长度和位置比较合适时，使得其中一个半波长谐振区域缩小，同时由于电流在缝隙7周围绕行，产生的远场辐射抵消，TM200模的两个波束以及中间的零点消失，变成一个类似于TM100模的波束。如果把缝隙7及周围的贴片看作两个U型支节对接在一起，在TM200模式下可以看作电流在一个支节上谐振。对于TM100模也可以把这一区域看作U型支节，只不过没有谐振。而缝隙在中间的弯折相当于把U型支节上的电流路径加长了，有助于略微降低工作频率。
当四个开关中S1、S3和S4都断开，S2闭合时，对于TM100模，右边支节靠近贴片内部的一端通过开关接地，相当于在支节的末端加载了一段电感，从而改变了表面电流的相位，形成了圆极化；对于TM200模，开关同样相当于电感接地，但是由于受到贴片下半部分谐振电流的影响，此时的电感是一个负电感，相当于缩短了谐振长度。因此相比于四个开关全部断开的情况，此时的高频向上移动了一些。当把导通的开关从S2变成S1，则低频由右旋圆极化变成左旋圆极化。当开关S1和S2导通，S3和S4断开时，对于低频相当于左右两个U型支节对称加载了电感，就不存在表面电流的相位差了，因此此时为双频线极化工作。同时对本来失配的低频输入阻抗进行了补偿，从而在不影响高频的情况下，改善了低频的匹配。对于S3或S4其中至少有一个导通时，TM100模式严重失配，只有TM200模式一个工作频率，但是对于不同开关的组合，由于所呈现的电感加载不同，工作的频率也不同。因此通过对开关状态的调节可以实现频率的调节。由于此时的工作频率为TM200模的谐振频率，因此都为线极化工作状态。
为进一步说明上述技术方案的可实施性，下面给出一个具体设计实例，如图2和图3所示，一个频率和极化可编程贴片天线天线。介质基片厚度为2mm，介电常数为2.55的F4B基片。对应的天线的几何参数取值如下：a＝75mm,b＝36.8mm,l1＝6.9mm,l2＝12mm,l3＝31.4mm,l4＝26mm,g＝2.5mm,p＝2.4mm,w＝3.34mm,d＝1mm,q＝2.35mm。测试结果表明，该天线在双频线极化工作模式下的工作频段分别为2.47GHz和4GHz，在右旋圆极化-线极化工作模式下的工作频率分别为2.45GHz和3.89GHz，其中2.45GHz的轴比为0.86dB。天线在单频工作下的工作频率如表1所示，其中工作模式的编码规则为，当某个开关导通时计为“1”，断开时计为“0”，例如当S2和S4导通时，S1S2S3S4的状态为0101。在所有频率下天线的交叉极化均小于-15dB。
表1
本发明的优点还在于：
(1)可选择的工作模式多，在双频工作模式下包括线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种极化选择，在单频工作模式下有九种不同的工作频率；
(2)控制简单，仅需四个PIN二极管开关；
(3)对天线的结构破坏小，最大限度地保证了每种模式下的天线性能。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种频率和极化可编程贴片天线，其特征在于：包括从上向下依次设置的第一金属覆盖层(1)，介质层(2)、第二金属覆盖层(3)、第一金属化通孔(41)、第二金属化通孔(42)、第三金属化通孔(43)、第四金属化通孔(44)；
所述第一金属覆盖层(1)包括馈电线和辐射贴片，馈电线包括能与外部馈电端口相连的微带线(5)，微带线(5)通过高阻线(6)连接辐射贴片的一边；辐射贴片为正方形的金属贴片，在靠近辐射贴片另一边即辐射边的位置蚀刻有一个缝隙(7)，缝隙(7)与辐射边平行；
第一金属化通孔(41)、第二金属化通孔(42)、第三金属化通孔(43)、第四金属化通孔(44)位于缝隙(7)弯折部分的两侧、两端分别连接第一金属覆盖层(1)和第二金属覆盖层(3)，在第一金属化通孔(41)、第二金属化通孔(42)、第三金属化通孔(43)、第四金属化通孔(44)上分别设有开关，当某个开关导通时，第一金属覆盖层(1)通过这个开关所控制的金属化通孔与第二金属覆盖层(3)相连；
所述缝隙(7)的中间部分呈首尾相接的U形，且U形边垂直于辐射边；
所述介质层(2)与第二金属覆盖层(3)为面积相同的正方形，其面积大于第一金属覆盖层(1)；
所述开关为PIN二极管开关、MEMS开关或者机械式金属连接型开关。
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