CN105071033A - 一种基于单极子环的方向图可重构天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单极子环的方向图可重构天线，包括介质基板，共面波导馈电结构以及蚀刻于介质基板的金属，所述基板的正面蚀刻有矩形金属环、共面波导馈线和共面波导地板，所述基板的背面蚀刻有耦合第一金属条及第一金属条平行的第二金属条，第一金属条上加载有开关，通过控制开关的导通与断开，即可实现天线的方向图可重构，本方向图可重构天线具有体积小、重量轻、结构简单、阻抗带宽较宽、且可同时实现E面和H面方向图可重构的优点，适用于军民用雷达、无线通信、智能武器制导等领域。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于单极子环的方向图可重构天线。
背景技术
随着科学技术的飞速发展与人类通信与日俱增的需求，无线通信朝着多功能、小型化、结构简单等方向发展，可重构天线正是在这种背景下应运而生。可重构天线可解决传统天线同一平台上搭载多天线引起的电磁兼容问题，并且可以节约系统成本，减小占用体积。方向图可重构天线是可重构领域的一个分支，有比较重要的研究意义。
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。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等中引入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，在保证覆盖频段与极化方式不变前提下，改变方向图的指向。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
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于单极子环的方向图可重构天线。
本发明采用如下技术方案：
一种基于单极子环的方向图可重构天线，包括介质基板，蚀刻在介质基板正面的矩形金属环、共面波导馈线及共面波导地板，所述共面波导馈线与矩形金属环连接，还包括蚀刻在介质基板背面的金属地板、第一金属条、平行于第一金属条的第二金属条及加载在第一金属条上的开关，所述第一金属条与金属地板连接；
所述第一金属条为矩形，所述第一金属条具体为两个，结构相同，位于矩形金属环的左右两侧，且关于矩形金属环对称。
所述第二金属条为矩形，具体为两个，与第一金属条平行，且关于矩形金属环对称。
开关为射频二极管开关，具体为两个，分别加载在两个第一金属条上。
矩形金属环外径长0.16λ0，外径宽0.14λ0，内径长为0.1λ0，内径宽为0.11λ0，其中λ0是中心频率2.4GHZ所对应的自由空间的波长。
所述第二金属条与第一金属条的宽度相同，均为9mm,所述第二金属条的长度为0.22λ0，其中λ0是中心频率2.4GHZ所对应的自由空间的波长。
所述第一金属条的长度分为两部分，位于开关的顶部长度为0.25λ0，位于开关底部的长度为0.05λ0，其中λ0是中心频率2.4GHZ所对应的自由空间的波长。
采用共面波导馈电方式，第一金属条靠近矩形金属环两侧的垂直边，形成电容耦合。
本发明的有益效果：
(1)本发明的主辐射体是天线矩形环，通过在介质基板背面与矩形金属环靠近两边蚀刻第一金属条，实现第一金属条与矩形金属环的耦合；由于采用了该技术特征，给本发明带来的技术效果是：天线获得较好的阻抗匹配，带宽达到22.89％(2.09GHZ-2.63GHZ)；
(2)本发明的介质基板背面蚀刻的第一金属条上各加载一个射频二极管开关，由于采用了该技术特征，给本发明带来的技术效果是：通过控制开关的导通与断开，可同时实现E面和H面的方向图可重构；
(3)本发明采用单极子环天线与共面波导馈电相结合的方式，由于采用了该技术特征，给本发明带来的技术效果是：天线结构简单，易于制作。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明的参数示意图；
图3是本发明第一开关7A、第二开关7B闭合时的等效电路；
图4是本发明第一开关7A、第二开关7B断开时的等效电路；
图5是本发明第一开关7A断开、第二开关7B导通时的回波损耗；
图6是本发明第一开关7A断开、第二开关7B导通时的E面方向图；
图7是本发明第一开关7A断开、第二开关7B导通时的H面方向图；
图8是本发明第一开关7A导通、第二开关7B断开时的回波损耗；
图9是本发明第一开关7A导通、第二开关7B断开的E面方向图；
图10是本发明第一开关7A导通、第二开关7B断开的H面方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1及图2所示，一种基于单极子环的方向图可重构天线，包括介质基板1、蚀刻在介质基板1正面的矩形金属环2、共面波导馈线3及共面波导地板4，所述共面波导馈线3与矩形金属环2连接，蚀刻在介质基板背面的金属地板5、第一金属条6、第二金属条9及加载在第一金属条6的开关，所述第一金属条与第二金属条平行，第二金属条位于第一金属条的外侧，所述第一金属条与金属地板连接，还包括馈电端口8。
本实施例采用的介质基板长度Subx为100mm,宽度suby为90mm，所述矩形金属环位于介质基板正面的中间位置，所述共面波导地板4位于介质基板1的正面两侧，所述共面波导馈线位于共面波导地板的中间位置并与矩形金属环连接，所述矩形金属环外径长L2约为0.16λ0，外径宽W2约为0.14λ0，内径长L3约为0.1λ0，内径宽W3约为0.11λ0。
所述金属地板的长度Gndx约为0.33λ0，宽度Gndy约为0.19λ0。
共面波导馈线3长度Kl约为0.41λ0，宽度Kw为2mm。构成共面波导馈电的共面波导地板4长度Gndx1约为0.09λ0，Gndy1宽度约为0.16λ0。
所述第一金属条6具体为两个，蚀刻在介质基板的背面，且对应位于矩形金属环垂直边的两侧，关于矩形金属环对称，距离垂直边0.5mm，这个间距对天线阻抗匹配有较大影响。当间距增大时，第一金属条与矩形金属环耦合减弱，阻抗匹配变差。
所述开关为射频开关，具体个数为两个，分别为第一开关7A，第二开关7B，分别加载在两个第一金属条上，第一金属条可以分为两节，一节是位于开关顶部，长度L1约为0.25λ0，另一节位于开关底部，长度L5约为0.05λ0，所述开关的长度L4为6mm，宽度与第一金属条6相同。
所述第二金属条9具体为两个，分别位于两个第一金属条的外侧，关于矩形金属环左右对称，所述第二金属条与第一金属条的宽度相同，均为9mm,所述第二金属条的长度为0.22λ0，其中λ0是中心频率2.4GHZ所对应的自由空间的波长。
第一金属条的宽度对天线影响较小，其长度对天线方向图有较大影响，过长或过短都会使天线方向图发生偏离与畸变。矩形金属环长度与宽度对天线有一定影响，太大或太小天线性能都会变差。另外，开关在第一金属条6上加载的位置对天线方向图有较大影响，加载不当将会导致天线方向图发生偏离。
加载在第一金属条6上的第一及第二开关在导通状态下其开关等效电路如图3所示，电阻Rf为0.6Ω，在断开状态下其开关等效电路如图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E面和H面方向图可重构，本发明包括两个工作模式：
具体模式一，第一开关7A断开，第二开关7B导通，天线工作频段和E面和H面方向图如图5、6、7所示；
模式二，第一开关7A导通，第二开关7B断开，此时天线工作作频段和E面和H面方向图如图8、9、10所示。
本发明附图中方向图均取中心频点2.4GHZ为例。
本发明天线体积小、重量轻、结构简单、阻抗带宽较宽、且可同时实现E面和H面方向图可重构。共面波导馈电结合金属条与矩形金属环的耦合，可在2.09-2.63GHZ实现回波损耗大于10DB，在2.3-2.55GHZ实现E面、H面方向图可重构，且天线平均增益约为4.5dBi。满足了小型化、结构简单、阻抗带宽较宽和方向图可重构的要求，适用于军民用雷达、无线通信、智能武器制导等领域。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的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)
1.一种基于单极子环的方向图可重构天线，其特征在于，包括介质基板，蚀刻在介质基板正面的矩形金属环、共面波导馈线及共面波导地板，所述共面波导馈线与矩形金属环连接，还包括蚀刻在介质基板背面的金属地板、第一金属条、平行于第一金属条的第二金属条及加载在第一金属条上的开关，所述第一金属条与金属地板连接。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一金属条为矩形，所述第一金属条具体为两个，结构相同，位于矩形金属环的左右两侧，且关于矩形金属环对称。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第二金属条为矩形，具体为两个，与第一金属条平行，且关于矩形金属环对称。
4.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，开关为射频二极管开关，具体为两个，分别加载在两个第一金属条上。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，矩形金属环外径长0.16λ0，外径宽0.14λ0，内径长为0.1λ0，内径宽为0.11λ0，其中λ0是中心频率2.4GHZ所对应的自由空间的波长。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第二金属条与第一金属条的宽度相同，均为9mm,所述第二金属条的长度为0.22λ0，其中λ0是中心频率2.4GHZ所对应的自由空间的波长。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一金属条的长度分为两部分，位于开关的顶部长度为0.25λ0，位于开关底部的长度为0.05λ0，其中λ0是中心频率2.4GHZ所对应的自由空间的波长。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，采用共面波导馈电方式，第一金属条靠近矩形金属环两侧的垂直边，形成电容耦合。
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