CN104993254B - 一种宽带方向图可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带方向图可重构天线，包括基板，宽带耦合馈电巴伦，所述基板的正面蚀刻有天线的两个平行、且相互间隔的主辐射单元，所述基板的背面蚀刻宽带耦合馈电巴伦；该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的端部各设有一对“L”型弯折偶极子辐射单元；该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的端部分别还各设有一对直偶极子单元。本宽带方向图可重构天线具有体积小、重量轻、结构简单、无反射板、带宽较宽、且可同时实现E面和H面方向图可重构，适用于军民用雷达、无线通信、智能武器制导领域等优点。

Description

一种宽带方向图可重构天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种宽带方向图可重构天线。
背景技术
近年来，无线通信技术得到飞速发展，天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件,在无线通信系统中起到了举足轻重的作用。目前无线通信系统发展的重要方向是大容量、多功能、超宽带，为满足这一需求，同一平台上搭载的天线数量相应增加，而天线数目的增加必将导致系统成本、重量、体积的增加，同时也带来了电磁兼容方面的问题。为了克服这种束缚，使整个通信系统性能尽可能少地受到天线的制约，可重构天线应运而生。
方向图是天线的一个重要特性，在军民用雷达、智能武器制导、无线通信等系统中要求天线具有方向图可控性，因此，方向图可重构天线是可重构天线研究的重要方向。方向图可重构天线是指通过在天线辐射体或者天线馈电结构中引入MEMS开关、二极管开关或场效应管开关等来改变天线的电流分布，从而改变方向图的指向。目前国内外方向图可重构天线较多为窄带，结构简单且带宽较宽的方向图可重构天线较为少见，故宽带方向图可重构天线有较为重要的研究意义。方向图可重构天线可以避免信号干扰，提高工作安全性以及节省系统功率，对未来无线通信的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种小型化、结构简单，带宽较宽，可以同时实现E面和H面方向图切换的宽带方向图可重构天线。由边靠边平行的印刷弯折偶极子对和直偶极子对构成。
本发明通过下述技术方案实现：
一种宽带方向图可重构天线，包括基板，宽带耦合馈电巴伦，所述基板的正面蚀刻有天线的两个平行、且相互间隔的主辐射单元，所述基板的背面蚀刻宽带耦合馈电巴伦；该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的端部各设有一对“L”型弯折偶极子辐射单元；该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的端部分别还各设有一对直偶极子单元。
所述宽带耦合馈电巴伦由蚀刻在基板背面的A微带线、B微带线、C微带线构成；C微带线通过开关分别连接A微带线和B微带线；C微带线连接馈电端口。
在A微带线和B微带线的两端分别各设有一个“L”型末端开路枝节。
在直偶极子单元的两端各设有一个“一”字型的寄生单元。
该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的偶极子臂之间有槽线。
所述开关为二极管开关。
各“L”型弯折偶极子辐射单元长度以及各直偶极子单元的长度均相同。
各寄生单元的长度为0.28λ0。
“L”型弯折偶极子辐射单元长度均为0.5λ0，其中λ0为中心频率2.4GHz所对应自由空间的波长；直偶极子单元的长度均为0.089λ0。
该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的偶极子臂之间的槽线具体尺寸为：槽的长度为18mm，槽的宽度约为1.5mm。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明的两个平行、且相互间隔的主辐射单元的端部各设有一对“L”型弯折偶极子辐射单元；使得天线前后比更大，较一般直偶极子对有更好的定向性。
本发明的两个平行、且相互间隔的主辐射单元的端部分别还各设有一对直偶极子单元；这样天线的方向图带宽拓展了近1倍，使天线具有宽带特性。
本发明的宽带耦合馈电巴伦由蚀刻在基板背面的A微带线、B微带线、C微带线构成；C微带线通过开关分别连接A微带线和B微带线；这样，天线有较好的阻抗匹配，实现了偶极子对的平衡馈电。
本发明在直偶极子单元的两端各设有一个“一”字型的寄生单元；这样，拓宽了天线的阻抗带宽，实现29.67％的相对带宽。
本发明两个平行、且相互间隔的主辐射单元的偶极子臂之间有槽线，实现了介质基板背面宽带巴仑对天线的耦合馈电。
综上所述。本发明天线体积小、重量轻、结构简单、无反射板、阻抗带宽和方向图带宽都较宽、且可同时实现E面和H面方向图可重构。宽带馈电巴伦和对称的“L”型弯折偶极子辐射单元相结合实现了2.01-2.71GHZ全频段覆盖，可在2.18-2.71GHZ实现前后比大于10DB的方向图可重构，且天线平均增益约为5.5dBi。满足了小型化、结构简单、阻抗带宽和方向图带宽都较宽、方向图可重构的要求。
附图说明
图1是本发明宽带方向图可重构天线结构示意图；
图2是本发明宽带方向图可重构天线参数示意图；
图3是本发明宽带方向图可重构天线开关闭合时的等效电路；
图4是本发明宽带方向图可重构天线开关断开时的等效电路；
图5是本发明宽带方向图可重构天线开关处于模式1时的回波损耗；
图6是本发明宽带方向图可重构天线开关处于模式1时的E面图(仅取了其中一个频点)；
图7是本发明宽带方向图可重构天线开关处于模式1时的H面方向图(仅取了其中一个频点)；
图8是本发明宽带方向图可重构天线开关处于模式2时的回波损耗；
图9是本发明宽带方向图可重构天线开关处于模式2时的E面方向图(仅取其中一个频点)；
图10是本发明宽带方向图可重构天线开关处于模式2时的H面方向图(仅取其中一个频点)；
图11是本发明宽带方向图可重构天线，前后比随频率的变化(鉴于模式1与模式2对称，故只给出其中一种模式的曲线图)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至11所示。本发明一种宽带方向图可重构天线，包括基板5，宽带耦合馈电巴伦，所述基板5的正面蚀刻有天线的两个平行、且相互间隔的主辐射单元，所述基板5的背面蚀刻宽带耦合馈电巴伦；该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的端部各设有一对“L”型弯折偶极子辐射单元1A、1B；该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的偶极子臂之间有槽线。该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的偶极子臂之间的槽线具体尺寸为：槽的长度为18mm，槽的宽度约为1.5mm。
该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的端部分别还各设有一对直偶极子单元8A、8B。在直偶极子单元8A、8B的两端各设有一个“一”字型的寄生单元2A、2B。
所述宽带耦合馈电巴伦由蚀刻在基板背面的A微带线3A、B微带线3B、C微带线3C构成；C微带线3C通过开关6A、6B分别连接A微带线3A和B微带线；C微带线3C连接馈电端口7。开关6A、6B采用二极管开关，通过控制开关的状态实现方向图可重构。
在A微带线3A和B微带线3B的两端分别各设有一个“L”型末端开路枝节4A、4B。实现对“L”型弯折偶极子辐射单元的馈电。
各“L”型弯折偶极子辐射单元1A、1B长度以及各直偶极子单元8A、8B的长度均相同。具体为：“L”型弯折偶极子辐射单元1A、1B长度均为0.5λ0，其中λ0为中心频率2.4GHz所对应自由空间的波长；直偶极子单元8A、8B的长度均为0.089λ0。
各寄生单元2A、2B的长度为0.28λ0。
如图2所示，“L”型弯折偶极子辐射单元1A、1B弯折部分长度L1均相等约为0.3λ0，臂长度L3为0.1λ0，直偶极子单元8A、8B长度约为0.089λ0，直偶极子单元8A、8B与“L”型弯折偶极子辐射单元1A、1B的连接部分长度D2约为5mm,寄生单元2A、2B的长度L2约为0.28λ0,寄生单元与“L”型弯折偶极子辐射单元1A、1B间距D1约为8mm,寄生单元宽度与“L”型弯折偶极子辐射单元1A、1B臂宽均为2.8mm,其中λ0为中心频率2.4GHz所对应自由空间的波长。“L”型弯折偶极子辐射单元1A、1B的偶极子臂之间槽线完全一样，其长度fl为18mm,宽度fw为1.5mm。印制于介质基板背面宽带馈电巴伦宽度bw为1.5mm，阻抗匹配L形枝节长度bl与bl1均为8mm。
加载在宽带巴伦上的开关在导通状态下其等效电路如图3所示，电阻Rf为0.6Ω，在断开状态下其等效电路如图4所示，电容Cj为8000PF,电阻Rf为0.6Ω，其中C1为二极管的封装电容，L1为二极管的封装电感。
通过控制开关的状态，可以实现方向图可重构。当天线处于模式1时(见下表)，天线工作频段和方向图如图5、6、7所示；当天线处于模式2时(见下表)，天线工作频段和方向图如图8、9、10所示，图11是天线前后比随频率的变化曲线图(鉴于模式一与模式二对称，故此处不做重复说明)。
如上所述，本宽带方向图可重构天线具有体积小、重量轻、结构简单、无反射板、带宽较宽、且可同时实现E面和H面方向图可重构，适用于军民用雷达、无线通信、智能武器制导领域等优点。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽带方向图可重构天线，包括基板，宽带耦合馈电巴伦，所述基板的正面蚀刻有天线的两个平行、且相互间隔的主辐射单元，所述基板的背面蚀刻宽带耦合馈电巴伦，其特征在于：该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的端部各设有一对“L”型弯折偶极子辐射单元(1A、1B)；该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的端部分别还各设有一对直偶极子单元(8A、8B)；
所述宽带耦合馈电巴伦由蚀刻在基板背面的A微带线(3A)、B微带线(3B)、C微带线(3C)构成；C微带线(3C)通过开关(6A、6B)分别连接A微带线(3A)和B微带线(3B)；C微带线(3C)连接馈电端口(7)；
开关(6A、6B)为二极管开关。
2.根据权利要求1所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：在A微带线(3A)和B微带线(3B)的两端分别各设有一个“L”型末端开路枝节(4A、4B)。
3.根据权利要求1所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：在直偶极子单元(8A、8B)的两端各设有一个“一”字型的寄生单元(2A、2B)。
4.根据权利要求1所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的偶极子臂之间有槽线。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：各“L”型弯折偶极子辐射单元(1A、1B)长度以及各直偶极子单元(8A、8B)的长度均相同。
6.根据权利要求5所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：各寄生单元(2A、2B)的长度为0.28λ0。
7.根据权利要求5所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：“L”型弯折偶极子辐射单元(1A、1B)长度均为0.5λ0，其中λ0为中心频率2.4GHz所对应自由空间的波长；直偶极子单元(8A、8B)的长度均为0.089λ0。
8.根据权利要求5所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：该两个平行、且相互间隔的主辐射单元的偶极子臂之间的槽线具体尺寸为：槽的长度为18mm，槽的宽度为1.5mm。
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