CN104868238B - 基于开口谐振环的方向图可重构天线 - Google Patents

基于开口谐振环的方向图可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明基于开口谐振环提出一种方向图可重构天线，属于天线技术领域。本发明基于贴片天线，在天线辐射单元外侧加载开口谐振环，在开口谐振环上开设多个开口，并在开口处安装开关，通过切换开关的通断状态，可以使本发明提供的天线实现多种模式的方向图重构。本发明可以单独使用，也可以将天线组阵，因此具有广泛的应用前景，可应用于无线通信系统、卫星通信系统、雷达系统等。

Description

基于开口谐振环的方向图可重构天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于开口谐振环的方向图可重构天线。
背景技术
近年来无线通信系统的快速发展，对无线通信系统的各部分的性能要求越来越高。而天线是一种导行波与自由空间波之间能量转换器件或换能器，作为无线通信系统的核心部件之一，对天线的要求更是苛刻。在无线通信系统中，干扰源多且复杂，无线信号受多径效应影响较大，所以要求天线有更强的抗干扰能力。方向图的可控能有效避开干扰源，将天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并抑制干扰信号的目的。实现方向图可控的一种方法是通过相控阵技术，但存在馈电网络复杂，体积庞大，成本高和技术难度等缺点。可重构天线则可以以较低的成本、较小的体积满足上述要求。
S.V.Shynu Nair等人提出一种方向图可重构天线[“Reconfigurable AntennaWith Elevation and Azimuth Beam Switching”，IEEE antennas and wirelesspropagation letters,vol.9,2010.]，天线结构如图1所示，天线由辐射贴片、介质基片、地板、开关及馈电几部分组成。天线的辐射贴片由一个小的激励贴片、一个环形微带以及一个大的外部贴片组成，没有金属的部分相应的介质基片也被挖空，整个介质基片被架空在距离地板S处的正上方。在环形微带和内外两个贴片的中间装有四个PIN二极管，同时环形微带通过装有PIN二极管的短路钉连接到地。为了减小PIN二极管的直流馈电对射频信号的影响，天线辐射贴片的三个部分分别连接一个扼流电感，在扼流电感的另一侧馈入直流信号。当天线工作时，通过控制ABCD四处的电压，改变各个PIN二极管的导通及截止的状态，从而决定天线辐射贴片中接地的个数以及位置，进而改变天线表面的电流分布，使辐射方向图向不同的方向偏转。但，该天线存在以下劣势：1)天线结构复杂，尺寸较大；2)带宽较窄，增益很低；3)开关的切换及偏置复杂；4)短路钉上有二极管、介质板被完全分成三部分难以加工及固定。
华军等人提出一种多频方向图可重构天线[“基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线”，申请号：201210202371.9，申请日期：2012.06.15，授权公告号：CN 102694277A，申请公布日：2012.09.26]，天线结构如图2所示，天线包括第一金属片1、圆形金属馈电片2、介质板3、四个第二金属片4、四个金属开口谐振环5和八个开关6，介质板3的下表面附着有一层金属片1，介质板3的上表面的中部附着有圆形金属馈电片2，四个金属开口谐振环5阵列附着围绕于圆形金属馈电片2的周围，所述每个金属开口谐振环5为圆形的同心内外双环结构，每个金属开口谐振环5的圆心附着有一个第二金属片4，每个金属开口谐振环5的内环具有两个内环开口5-1，每个金属开口谐振环5的外环具有两个外环开口5-2，每个金属开口谐振环5的其中一个内环开口5-1处设置有一个开关6，每个金属开口谐振环5与另一个内环开口5-1相邻的外环开口5-2处设置有一个开关6，每个金属开口谐振环5上设置的两个开关6导通时两个开关6处的电流方向相反，所述每个开关6均为能用外置电路来控制的变容二极管。但是，该天线单元较多、尺寸较大、结构复杂，且天线每个金属谐振环上的每个开关均需要分别添加直流偏置，故直流偏置排布复杂且实现难度大。
发明内容
为了解决上述现有技术中方向图可重构天线存在的尺寸大、结构复杂等问题，本发明基于开口谐振环提出一种方向图可重构天线，尺寸小、结构简单的特点使得本天线在实际应用方面更受青睐。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于开口谐振环的方向图可重构天线，其结构如图3所示，包括中心辐射贴片1，开口环形微带辐射单元，开关组4、5，介质基板6及接地金属板7，所述中心辐射贴片1、开口环形微带辐射单元均设置于介质基板6的上表面，所述接地金属板7设置于介质基板6下表面，所述开口环形微带辐射单元由一个以上的开口谐振环2、3构成，所述开口谐振环为形状相同的同心环状结构，中心辐射贴片1位于所述开口环形微带辐射单元的中心；
每个开口谐振环具有两个开口，每个开口处设置有一个开关，同一个开口谐振环上的两个开关导通时所述两个开关的电流方向相同；每个开关的通断状态可通过外部的偏置电路独立控制；通过控制开关的通断，改变天线表面的电场分布，由此得到三种不同的辐射模式：
模式一，所有开口谐振环同一位置的一组开关4断开，另一组开关5导通，该天线的辐射方向图偏向x轴负方向；
模式二：所有开口谐振环同一位置的一组开关4导通，另一组开关5断开，该天线的辐射方向图偏向x轴正方向；
模式三：所有开口谐振环上的所有开关均导通时，该天线的辐射方向图指向z轴正方向。
进一步的，所述中心辐射贴可以采用矩形或者方形，也可以采用三角形、圆形、椭圆形或者其他多边形，具体形状视该天线的实际用途而定。
所述开关为PIN二极管开关。
需要说明的是：
1)本发明通过中心辐射贴片1进行激励，并在开口环形微带辐射单元上感应出相应的电场来实现辐射；在辐射贴片1的外侧添加的开口谐振环的数量不固定，可以是一个或者多个，环的数量会影响天线的尺寸和波束偏转的角度；开口谐振环的轮廓可以不与中心辐射贴片1外形一致，但二者的轮廓一致能够在开口谐振环上感应更强的电场，从而实现更好的方向图偏转效果；
2)所述开口谐振环的开口位于环的非辐射边一侧时，该天线的方向图具有更好的偏转效果；但若开口位于辐射边，也可以实现方向图偏转；在开口谐振环的中间位置开口可以实现更好的偏转效果，但开口并不限于中间位置，可以在微带环的不同位置开口并安装开关，通过控制开关状态实现方向图重构。
本发明的有益效果是：
1)本发明采用加载PIN二极管开关的形式，利用一个辐射单元，改变馈电位置和开关状态，可以得到六种模式的方向图；天线结构简单，体积小，重量轻，易于加工与集成；
2)本发明提供的天线在不同模式下，工作频率保持不变，如图8和10，方向图可以根据实际应用情况进行调整，实现对覆盖范围的有效控制，可避开干扰源，指向目标用户，从而提高用户通信质量的目标；
3)本发明提供的天线增益高，一个馈电点馈电时，最大增益可达到7.6dBi；两个馈电点分别馈电时，最大增益可达到7.4dBi；
4)本发明通过馈电点的切换可以方便地实现线极化和圆极化，且每种极化方式都有多种模式的方向图重构。
附图说明
图1为背景技术所述矩形微带贴片天线俯视图、侧视图；
图2为背景技术所述基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线的结构示意图；
图3为本发明提供的基于开口谐振环的方向图可重构天线的结构示意图；
图4为本发明提供的方向图可重构天线三种模式的辐射方向图
图5为本发明提供的方向图可重构天线三种模式的S参数仿真结果；
图6为本发明提供的基于开口谐振环的双馈点方向图可重构天线结构示意图；
图7为本发明提供的双馈点方向图可重构天线模式一、二、三的方向图，其中图7(a)为xoz面，图7(b)为yoz面；
图8为本发明提供的双馈点方向图可重构天线模式一、二、三的S参数仿真结果；
图9为本发明提供的双馈点方向图可重构天线模式四、五、六的方向图，其中图9(a)为xoz面，图9(b)为yoz面；
图10为实施例2提供的双馈点方向图可重构天线模式四、五、六的S参数仿真结果；
图11为本发明提供的圆极化方向图可重构天线的轴比；
图12为本发明提供的圆极化方向图可重构天线五种模式三维方向图，其中(a)为模式一，(b)为模式二，(c)为模式三，(d)为模式四，(e)为模式五；
图13为本发明提供的圆极化方向图可重构天线五种模式二维方向图，其中(a)为模式一，(b)为模式二，(c)为模式三，(d)为模式四，(e)为模式五。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一个基于开口谐振环的方向图可重构天线，其结构如图3所示，包括边长为半个波导波长的方形中心辐射贴片1，开口环形微带辐射单元，PIN二极管开关组4、5，介质基板6及接地金属板7，天线采用单个同轴馈电方式向中心辐射贴片1馈电，所述开口环形微带辐射单元由两个开口谐振环2、3构成，所述两个开口谐振环为方形的同心内外环状结构，中心辐射贴片1位于所述开口环形微带辐射单元的中心，所述两个开口谐振环在相同位置上各开设有两个开口，每个开口上设置有一个PIN二极管开关，每个开口谐振环的两个开口分别位于谐振环的左右侧边；
所述开口谐振环的宽度为贴片长度的1/10～1/4，缝隙宽度略小于微带宽度，所述接地金属板7的尺寸与介质基片6的尺寸相同；通过改变两组开关的状态，可以得到该天线的三种工作模式：
模式一：开关组4断开，开关组5导通，方向图向x轴负方向偏转，偏转角度-34°，增益7.48dBi，3dB波束覆盖范围从-63°到2°，中心频率2.7GHz，-10dB带宽范围为2.64-2.72GHz；
模式二：开关组4导通，开关组5断开，方向图向x轴正方向偏转，偏转角度34°，增益7.48dBi，3dB波束覆盖范围从-2°到63°，中心频率2.7GHz，-10dB带宽范围为2.64-2.72GHz；
模式三：开关组4和5均导通，方向图不发生偏转，增益7.6dBi，3dB波束覆盖范围从-40°到40°，中心频率2.7GHz，-10dB带宽范围为2.67-2.71GHz；
三种模式的辐射方向图和S参数如图4和5所示。
本实施例通过外部的直流偏置电路来控制开关的通断，从而改变天线表面的电场分布。天线主要是由开口谐振环外侧槽缝中的等效磁流进行辐射，开口谐振环未开口的两个边为辐射边，在辐射边上激励出的等效磁流是同向的，因而其辐射场在沿中心辐射贴片法线方向同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增加而减小，形成边射方向图；开口谐振环上有开口的两边为非辐射边，边上激励出电场所等效的磁流大部分为反向，因而其在沿贴片法线方向的远场辐射相互抵消。通过在开口上安装开关，改变两侧的开关状态，就改变了辐射边上磁流的分布，使得方向图发生了偏转，最终可以得到三种不同的辐射模式。
当沿天线的两个对称轴分别馈电(馈电点分别位于x轴和y轴)，在微带环的四条边都开口，并安装开关。通过控制馈电和开关的通断，可以得到六种方向图模式，具体如实施例2所述。
当两个馈电点同时馈电，并使二者保持约90°的相位差，再改变开关的状态，可以得到左旋和右旋圆极化的方向图，并且在每种极化方式下，都可以得到五种方向图模式，具体如实施例3所述。
实施例2
本实施例在实施例1的天线结构上进行部分改进，其结构如图6所示，在方形中心辐射贴片1的两条对称轴上分别设置有一个同轴馈电探针，分别记为同轴探针8及同轴探针11，在每个开口谐振环上、下、左、右四条边的相同位置上均开设有一个开口，每个开口上设置有一个PIN二极管开关，所述两个开口谐振环左侧的两个PIN二极管开关记为开关组4，右侧的两个PIN二极管开关记为开关组5，上侧的两个开关及下侧的两个开关分别记为开关组9和开关组10；通过改变两个馈电端口的馈电状态及各开关组的通断状态，可以使该天线实现六种方向图模式之间的切换：
模式一：同轴探针8馈电且同轴探针11不馈电，开关组4断开，开关组5导通，开关组9导通，开关组10导通，方向图向x轴负方向偏转，偏转角度-30°，增益7.24dBi，3dB波束覆盖范围从-66°到3°，中心频率2.7GHz，-10dB带宽范围为2.63-2.73GHz；
模式二：同轴探针8馈电且同轴探针11不馈电，开关组4、9、10均导通，开关组5断开，方向图向x轴正方向偏转，偏转角度26°，增益7.02dBi，3dB波束覆盖范围从-5°到66°，中心频率2.7GHz，-10dB带宽范围为2.64-2.72GHz；
模式三：同轴探针8馈电且同轴探针11不馈电，开关组4、5、9、10均导通，方向图不发生偏转，增益7.4dBi，3dB波束覆盖范围从-41°到41°，中心频率2.7GHz，-10dB带宽范围为2.67-2.71GHz；天线前三种模式xoz面及yoz面的方向图如图7所示；S参数如图8所示。
模式四：同轴探针11馈电且同轴探针8不馈电，开关组4、5、9均导通，开关组10断开，方向图向y轴负方向偏转，方向图偏转角度-26°，增益6.61dBi，3dB波束覆盖范围从-25°到59°，中心频率2.7GHz，-10dB带宽范围为2.67-2.71GHz；
模式五：同轴探针11馈电且同轴探针8不馈电，开关组4、5、10均导通，开关组9断开，方向图向y轴正方向偏转，偏转角度30°，增益7.02dBi，3dB波束覆盖范围从-6°到65°，中心频率2.7GHz，-10dB带宽范围为2.68-2.72GHz；
模式六：同轴探针11馈电且同轴探针8不馈电，开关组4、5、9、10均导通，方向图不发生偏转，增益7.4dBi，3dB波束覆盖范围从-41°到41°，中心频率2.7GHz，-10dB带宽范围为2.67-2.71GHz；天线后三种模式xoz面及yoz面的方向图如图9所示；S参数如图10所示。
实施例3
本实施例基于实施例2所提供的天线结构，所述两个馈电探针同时馈电，并使二者保持90°的相位差，通过调整开关的状态，可使该天线实现左旋和右旋圆极化方向图之间的切换，并且在每种极化方式下，都可以得到五种方向图模式。
若同轴探针8的相位相比于同轴探针11的相位超前90°，此时天线工作于左旋圆极化状态，五种模式的开关状态如表1所示：
表1
模式 开关组4 开关组5 开关组9 开关组10
模式一 断开 导通 导通 导通
模式二 导通 断开 导通 导通
模式三 导通 导通 断开 导通
模式四 导通 导通 导通 断开
模式五 导通 导通 导通 导通
圆极化天线的轴比如图11所示，三维和二维方向图如图12和13所示。可见在工作带宽范围内，在俯仰面从-100°到+100°的角度范围里天线轴比均小于2.5dB，实现了较好的圆极化效果。而且在开关状态不同时，天线的方向图指向五个不同的方向。
同理，若同轴探针11的相位相比于同轴探针8的相位超前90°，此时天线工作于右旋圆极化状态，同样地，通过控制开关的通断可实现五种模式的切换。

Claims (3)

1.一种基于开口谐振环的方向图可重构天线，包括中心辐射贴片、开口环形微带辐射单元、开关、介质基板及接地金属板，所述中心辐射贴片、开口环形微带辐射单元均设置于介质基板的上表面，所述接地金属板设置于介质基板下表面，其特征在于，所述开口环形微带辐射单元由一个以上的开口谐振环构成，所述开口谐振环为形状相同的同心环状结构，中心辐射贴片位于所述开口环形微带辐射单元的中心；
所述中心辐射贴片为方形，所述开口谐振环为方形开口环；每个开口谐振环均具有四个开口，每个开口处设置有一个开关，同一个开口谐振环上的开关全部导通时每个开关的电流方向相同；其中两个开口分别位于每个开口谐振环的左侧和右侧边上，另外两个开口分别位于每个开口谐振环上、下两条边的相同位置；每个开关的通断状态可通过外部的偏置电路独立控制；
在方形中心辐射贴片的两条对称轴上分别设置有一个同轴馈电端口，通过改变两个馈电端口的馈电状态、馈电相位及各开关的通断状态，可以使该天线实现多种方向图模式之间的切换。
2.根据权利要求1所述的基于开口谐振环的方向图可重构天线，其特征在于，所述开关为PIN二极管开关。
3.根据权利要求1所述的基于开口谐振环的方向图可重构天线，其特征在于，所述方形中心辐射贴片的边长为二分之一个波导波长，所述开口谐振环的宽度为中心辐射贴片长度的1/10～1/4，所述接地金属板的尺寸与介质基片的尺寸相同。
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