CN106299672A - 一种极化可调的锥形介质谐振天线 - Google Patents

一种极化可调的锥形介质谐振天线 Download PDF

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Abstract

一种极化可调的锥形介质谐振天线，属于无线通信技术领域。满足了实现线极化与圆极化、左旋圆极化和右旋圆极化的极化可重构介质谐振天线，能够适应更加多样的系统需求和复杂多变的应用环境。锥形介质谐振天线包括介质板、微带线、SMA接头和方锥形介质谐振器；所述的介质板的上表面涂有金属覆层，且金属覆层上留有矩形缝隙，方锥形介质谐振器的小端放置在矩形缝隙上，且方锥形介质谐振器的小端相对于矩形缝隙的夹角可调，微带线设置在介质板的下表面，并位于矩形缝隙的正下方，微带线相对于矩形缝隙垂直设置，微带线正极性端连接SMA接头；SMA接头作为锥形介质谐振天线的馈电端。锥形介质谐振天线主要用于在信息通信方面。

Description

一种极化可调的锥形介质谐振天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域。
背景技术
早在1939年，R.D.Richtinge理论上首次证明了以非金属介质球形式存在的微波谐振，并于20世纪60年代被分析其模式。低损耗陶瓷材料开启了在滤波器、振荡器等电路领域的应用。如果去掉防护再进行适当的激励启动适当的模式，那么这同一介质谐振器能够实现有效的辐射。介质谐振器作为天线单元的研究开始于1983年。
在生物医疗方面，由于介质谐振天线的介电常数适用范围广泛，可选择与皮肤组织介电常数相近的介质材料，可避免由于与传统天线不匹配造成的反射过大的现象，大大提高了系统的工作精度。在军事领域，毫米波介质谐振天天线的低损耗以及耐高温的特性既提高了天线的工作效率同时保证了工作性能稳定，对制导系统的导引头和V波段和W波段的未来室内无线系统的潜在应用价值非常巨大。在移动通信领域，体积小、重量轻、损耗低、效率高的介质谐振天线广泛应用于超宽带系统中。
现有技术中介质谐振天线的一般只有一种极化方式，无法适用更加多样的系统需求和复杂多变的应用环境与介质谐振天线同年被提出的可重构天线的概念可以应系统需求，现有的极化可重构介质谐振天线大都采用射频开关以控制馈电电路的通断来实现。2015年IEEE国际会议上提出：极化可调与Quasi-lumped介质谐振器天线正交耦合器,计算电磁学(ICCEM)，通过将两个变容二极管置于传统3dB电桥的两根平行线上，引入偏置电路改变二极管反向偏置电压以实现馈电网络在两种模式下转换，即：实现了线极化与圆极化之间的转换。
然而，电开关以及偏置电路的引入会对射频信号造成一定的干扰，且不能实现单馈电端口的电切换，当需要实现左旋圆极化和右旋圆极化之间的可重构必须改变馈电端口。
研究介质谐振天线的可重构机理在认知无线网络、MIMO系统、便携无线设备、5G移动通信系统等众多领域具有重大而深远的意义。因此，结合介质谐振天线和可重构天线的概念优势，亟需研究一种通用天线以满足天线实时改变工作频率、极化方式、覆盖区域等辐射特性，能够适应更加多样的系统需求和复杂多变的应用环境。
发明内容
本发明是为了满足实现线极化与圆极化、左旋圆极化和右旋圆极化的极化可重构介质谐振天线，能够适应更加多样的系统需求和复杂多变的应用环境。本发明提供了一种极化可调的锥形介质谐振天线。
一种极化可调的锥形介质谐振天线，它包括介质板、微带线、SMA接头和方锥形介质谐振器；
所述的介质板的上表面涂有金属覆层，且金属覆层上留有矩形缝隙，方锥形介质谐振器的小端放置在矩形缝隙上，且方锥形介质谐振器的小端相对于矩形缝隙的夹角可调，
微带线设置在介质板的下表面，并位于矩形缝隙的正下方，微带线相对于矩形缝隙垂直设置，微带线覆盖矩形缝隙的一部分，
微带线正极性端连接SMA接头；
SMA接头作为锥形介质谐振天线的馈电端。
所述的方锥形介质谐振器相对于矩形缝隙的位置可调实现了锥形介质谐振天线的3种极化方式，且3种极化方式分别为左旋圆极化、线极化和右旋圆极化。
所述的方锥形介质谐振器小端与矩形缝隙的夹角为45°，且夹角为45°时，左旋圆极化效果最佳。
所述的方锥形介质谐振器小端与矩形缝隙的夹角为90°或180°，且夹角为90°或180°时，线极化效果最佳。
方锥形介质谐振器小端与矩形缝隙的夹角为135°，且夹角为135°时，右旋圆极化效果最佳。
所述的金属覆层的厚度为0.03mm至0.04mm。
所述的金属覆层的最佳厚度为0.037mm。
介质板为FR-4环氧板，介电常数为4.4，厚度为1.6mm。
方锥形介质谐振器的介电常数为10.2。
原理分析：基于多模谐振理论提出了一种机械极化可重构介质谐振天线的实现方案。采用微带线馈电缝隙的耦合方式激励置于其上的方锥形介质谐振器，通过控制方锥形介质谐振器相对缝隙的角度，激励出方椎形介质谐振器中正交的模式分量，可实现线极化、左旋圆极化、右旋圆极化之间变换，且辐射方向图均为指向方锥展开孔径方向的定向辐射。且由于没有引入开关，可避免偏置电路对天线性能的影响。
本发明带来的有益效果是，本发明采用机械可调的方式，调节矩形缝隙与方锥形介质谐振器的相对位置，实现了单馈电端口的极化方式可调的介质谐振天线，避免了复杂的馈电网络，本发明所述极化可调的锥形介质谐振天线可在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化，三种极化方式下相互切换，且增益性能稳定均高于6.5dB。
附图说明
图1为本发明所述的一种极化可调的锥形介质谐振天线的结构示意图；
图2为在左旋圆极化模式下，矩形缝隙与方锥形介质谐振器的相对位置关系图；其中，LHCP表示左旋圆极化模式；
图3为在线极化模式下，矩形缝隙与方锥形介质谐振器的相对位置关系图；其中，LP-1为一种线极化模式；
图4为在右旋圆极化模式下，矩形缝隙与方锥形介质谐振器的相对位置关系图；其中，RHCP表示左旋圆极化模式；
图5为在线极化模式下，矩形缝隙与方锥形介质谐振器的相对位置关系图；其中，LP-2为另一种线极化模式；
图6为四个工作模式(LHCP、LP-1、RHCP、LP-2)下的极化可调的锥形介质谐振天线的反射系数随频率变化的曲线；
图7为描绘了9GHz处最大辐射方向上的轴比随角度θ的变化曲线
图8为描绘了圆极化模式下，轴比随频率的变化曲线，
图9为四个工作模式(LHCP、LP-1、RHCP、LP-2)下增益随频率的变化的曲线；
图10为四个工作模式(LHCP、LP-1、RHCP、LP-2)下辐射效率随频率的变化曲线；
图11为左旋圆极化模式(LHCP)下9GHz处XOZ平面辐射方向图；
图12为线极化模式(LP-1)下9GHz处XOZ平面辐射方向图；
图13为右旋圆极化模式(RHCP)下9GHz处XOZ平面辐射方向图；
图14为线极化模式(LP-2)下9GHz处XOZ平面辐射方向图。
具体实施方式
图1为本发明所述的一种极化可调的锥形介质谐振天线的结构示意图。且它包括介质板1、微带线2、SMA接头3和方锥形介质谐振器4；
所述的介质板1的上表面涂有金属覆层1-1，且金属覆层1-1上留有矩形缝隙1-2，方锥形介质谐振器4的小端放置在矩形缝隙1-2上，且方锥形介质谐振器4的小端相对于矩形缝隙1-2的夹角可调，
微带线2设置在介质板1的下表面，并位于矩形缝隙1-2的正下方，微带线2相对于矩形缝隙1-2垂直设置；
微带线2正极性端连接SMA接头3；
SMA接头3作为锥形介质谐振天线的馈电端。
方锥形介质谐振器4的尺寸比例可调，且其工作频率可变换，本发明给出了方锥形介质谐振器4的尺寸，具体参见表1。
参数 I w L1 W1 a1 b1 a b g h d θ
值(mm) 4 2.8 1.5 8 4.2 8.4 9.6 19.2 1.5 5 30 45°
其中，L1为矩形缝隙宽度，W1为矩形缝隙长度，I为微带线开路枝节长度，w为微带线宽度，a为方锥形介质谐振器大端底面矩形宽度，b为方锥形介质谐振器大端底面矩形长度，a1为方锥形介质谐振器小端底面矩形宽度，b1为方锥形介质谐振器小端底面矩形长度，g为介质板厚度，h为方锥形介质谐振器高度，d为介质板1边长，θ为方锥形介质谐振器相对矩形缝隙的旋转角度。
介质板1为FR-4环氧板，介电常数为4.4，厚度为1.6mm，方锥形介质谐振器4介电常数为10.2。
当SMA接头3作为锥形介质谐振天线的馈电端接电源正极，矩形缝隙1-2接电源地，在微带线2与矩形缝隙1-2耦合方式激励置于其上的方锥形介质谐振器4，通过改变方锥形介质谐振器4与矩形缝隙1-2的相对位置，使金属覆层1-1与微带线2生成不同的激励方式，激励了方锥形介质谐振器4的两极化正交模式以实现方锥形介质谐振天线产生不同的极化方式。
在调节方锥形介质谐振器4与矩形缝隙1-2的相对位置的过程中，当调节方锥形介质谐振器4与矩形缝隙1-2的旋转夹角θ从0°增至180°时，可依次实现左旋圆极化(LHCP)——线极化(LP-1)——右旋圆极化(RHCP)——线极化(LP-2)，4个工作模式，具体参见图2至图5，从而实现了本发明所述的极化可调的锥形介质谐振天线的极化方式可调。
图6描述了图2至图5所述四个工作模式下的极化可调的锥形介质谐振天线的反射系数随频率的变化的曲线，对于圆极化模式(包括左旋圆极化右旋圆极化)，阻抗带宽均可达4.62GHz，反射系数小于-10dB对应的频率的范围7.78GHz-12.4GHz。
图7描绘了9GHz处最大辐射方向上的轴比随角度θ的变化，40dB的恒定值证实了两个线极化模式，且图7中的两个线极化模式曲线重合在一起，形成一条直线，且圆极化模式下，轴比在3dB以下，所对应的角度θ的范围为-30.5°到73.5°。
图8描绘了圆极化模式下，轴比随频率的变化曲线，轴比小于3dB带宽所对应的频率范围8.86GHz到9.68GHz。图8纵坐标轴比小于3dB对应的横轴，可以过3dB做平行于横轴的直线，与图中曲线的两个交点对应的横坐标就是3dB带宽的开始和截止频率。
图9为各模式下增益随频率的变化的曲线；图10为各模式下辐射效率随频率的变化曲线；
图11至图14描绘了9GHz处xoz平面上LHCP、RHCP、线极化模式下主极化和交叉极化的极化方向图，该图均为z方向的定向辐射，从中可看出对应的极化模式。线极化模式下，实现了低交叉极化。图11中RHCP相对于LHCP的辐射范围较小，RHCP可忽略，则认为图11的辐射模式为左旋圆极化模式(LHCP)。图12中线极化模式(LP-1)包括主极化和交叉极化，且主极化方式明显。图13中RHCP相对于LHCP的辐射范围较大，可则认为图13的辐射模式为右旋圆极化模式(RHCP)。图14中线极化模式(LP-2)包括主极化和交叉极化，且主极化方式明显。

Claims (7)

1.一种极化可调的锥形介质谐振天线，其特征在于，它包括介质板(1)、微带线(2)、SMA接头(3)和方锥形介质谐振器(4)；
所述的介质板(1)的上表面涂有金属覆层(1-1)，且金属覆层(1-1)上留有矩形缝隙(1-2)，方锥形介质谐振器(4)的小端放置在矩形缝隙(1-2)上，且方锥形介质谐振器(4)的小端相对于矩形缝隙(1-2)的夹角可调，
微带线(2)设置在介质板(1)的下表面，并位于矩形缝隙(1-2)的正下方，微带线(2)相对于矩形缝隙(1-2)垂直设置；
微带线(2)正极性端连接SMA接头(3)；
SMA接头(3)作为锥形介质谐振天线的馈电端。
2.根据权利要求1所述的一种极化可调的锥形介质谐振天线，其特征在于，所述的方锥形介质谐振器(4)相对于矩形缝隙(1-2)的位置可调实现了锥形介质谐振天线的3种极化方式，且3种极化方式分别为左旋圆极化、线极化和右旋圆极化。
3.根据权利要求2所述的一种极化可调的锥形介质谐振天线，其特征在于，所述的方锥形介质谐振器(4)小端与矩形缝隙(1-2)的夹角为45°。
4.根据权利要求2所述的一种极化可调的锥形介质谐振天线，其特征在于，所述的方锥形介质谐振器(4)小端与矩形缝隙(1-2)的夹角为90°或180°。
5.根据权利要求2所述的一种极化可调的锥形介质谐振天线，其特征在于，所述的方锥形介质谐振器(4)小端与矩形缝隙(1-2)的夹角为135°。
6.根据权利要求1所述的一种极化可调的锥形介质谐振天线，其特征在于，介质板(1)为FR-4环氧板，介电常数为4.4，厚度为1.6mm。
7.根据权利要求1所述的一种极化可调的锥形介质谐振天线，其特征在于，方锥形介质谐振器(4)的介电常数为10.2。
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