CN106299701B - 一种光控宽带方向图可重构天线 - Google Patents

一种光控宽带方向图可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光控宽带方向图可重构天线，包括介质基板、设置在介质基板正面的辐射单元和设置在介质基板反面的与馈电线连接的宽带馈电网络；辐射单元包括两两对称并且正交分布的四个弯折偶极子，四个弯折偶极子分别对应连接在中心的“十”字型单元的四个矩形枝节端部；宽带馈电网络包括“十”字型贴片以及四条弯折微带线，每条弯折微带线由位置相对且相互连接的第一“L”型微带线和第二“L”型微带线组成，四条第一“L”型微带线分别通过光控开关与“十”字型贴片四个矩形枝节端部对应连接。通过控制激光照射强度改变光控开关的通断工作模式即可改变天线辐射方向，从而实现天线的方向图可重构，具有结构简单、带宽较宽、阻抗匹配好等优点。

Description

一种光控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，特别涉及一种光控宽带方向图可重构天线。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的迅速发展，系统对天线性能的要求越来越高，大容量、多功能、超宽带是目前无线通信系统发展的重要方向，为满足这一需求，同一平台上搭载的天线数量就相应增加，而天线数量的增加必将导致系统整体成本、重量的增加，同时也带来了电磁兼容方面的问题。可重构天线无疑是一种很好的解决方案，它能能够在一副天线上实现多副天线的功能，并且可以避免电磁兼容问题。其中，作为可重构天线研究中的一个重要分支，方向图可重构天线可以保持工作频率不变，通过改变波束方向，实现了多种坏境下的空间资源的有效利用，从而提高信号质量，节约系统能量。
方向图可重构天线的应用较广，可以满足智能武器寻地、汽车和飞机雷达、无线和卫星通信网络以及空间遥感等的实际需要。目前国内外学者对方向图可重构天线的研究成果较多为窄带、结构复杂的天线，且在天线中引入PIN二极管或MEMS(Micro ElectroMechanical Systems，微电子机械系统)等射频开关，开关通断时偏置电路产生的耦合电流会对天线辐射信号产生的不利影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、带宽较宽、阻抗匹配较好、电磁干扰小并且能够实现四种方向图重构的光控宽带方向图可重构天线。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种光控宽带方向图可重构天线，包括介质基板以及设置在介质基板正面的辐射单元，其特征在于，还包括设置在介质基板反面的与馈电线连接的宽带馈电网络；
所述辐射单元包括两两对称并且正交分布的四个弯折偶极子，所述四个弯折偶极子分别对应连接在中心的“十”字型单元的四个矩形枝节端部；
所述宽带馈电网络包括位于中心的“十”字型贴片以及“十”字型贴片周围等角度间隔环绕的四条弯折微带线；所述每条弯折微带线均由位置相对的第一“L”型微带线和第二“L”型微带线组成；每条弯折微带线中，第一“L”型微带线的第一端与第二“L”型微带线的第一端连接，第二“L”型微带线的第二端开路；四条弯折微带线的第一“L”型微带线的第二端分别通过光控开关与“十”字型贴片的四个矩形枝节端部对应连接，“十”字型贴片中心馈电。
优选的，介质基板正面的四个弯折偶极子与介质基板反面四条弯折微带线的分布的位置为一一对应关系。
优选的，所述弯折偶极子中的每个偶极子臂均为“L”型，弯折偶极子端部设置有扇形弯折部分。
优选的，所述每个弯折偶极子的电长度均为0.5λ0，宽度均为6mm，其中λ0为中心频率2.2GHz所对应自由空间的波长。
优选的，所述每个弯折偶极子中偶极子臂之间缝隙的宽度均为2.2mm，长度均为16mm。
优选的，所述“十”字型单元的四个矩形枝节宽度均为15.6mm；长度均为13.2mm。
优选的，所述每条弯折微带线中第一“L”型微带线由垂直连接的第一微带线和第二微带线组成，第二“L”型微带线由垂直连接的第三微带线和第四微带线组成，其中第一“L”型微带线通过第二微带线连接第二“L”型微带线的第三微带线，第一“L”型微带线通过第一微带线连接光控开关后连接“十”字型贴片的矩形枝节端部，其中四条弯折微带线的第三微带线与四个弯折偶极子中偶极子臂之间缝隙为一一对应的垂直关系。
更进一步的，第一微带线和第二微带线的宽度均为1mm，第一微带线的长度为26mm，第二微带线的长度为3.5mm；第三微带线和第四微带线的宽度均为1.4mm，第三微带线的长度为2.5mm，第四微带线的长度为14mm；“十”字型贴片中四个矩形枝节的长度均为3mm，宽度均为1mm。
优选的，所述光控开关为光控硅开关，由硅片组成。
优选的，所述介质基板为高频板，其长度和宽度均为80mm。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明中天线由介质基板、设置在介质基板正面的辐射单元以及设置在介质基板反面的宽带馈电网络组成，其中本发明天线的辐射单元中两两对称且正交分布的四个弯折偶极子使得天线前后比更大，较一般直偶极子天线有更好的定向性。另外本发明宽带馈电网络包括介质基板反面位于中心的“十”字型贴片以及“十”字型贴片周围等角度间隔环绕的四条弯折微带线，介质基板正面的四个弯折偶极子中偶极子臂之间的缝隙与介质基板反面的四条弯折微带线中的第二“L”型微带线对应组成四个宽带巴伦，利用缝隙和微带线耦合来实现宽带匹配，使得本发明天线获得较宽的阻抗带宽。本发明中介质基板反面的“十”字型贴片和四条弯折微带线中的第一“L”型微带线构成阻抗匹配电路，能够使得天线实现较好的阻抗匹配。
(2)本发明天线的宽带馈电网络中每条弯折微带线和“十”字型贴片的每个矩形枝节之间设置光控开关，通过控制四个光控开关的通断来改变天线辐射的波束方向，从而实现天线四种方向图的重构。并且本发明天线能够实现了2.0～2.86GHZ全频段覆盖，可在2.0-～2.86GHZ实现前后比大于10dB的方向图可重构；具有尺寸小、重量轻、结构简单、无反射板以及开关电磁干扰小等优点，非常适用于智能武器寻地、汽车和飞机雷达、无线和卫星通信等领域。
(3)本发明天线使用的四个光控开关只需要通过激光照射即可控制通断，无需偏置电路，有效克服了传统电子开关通断时因偏置电路产生的瞬态电流对天线的辐射性能的影响。
附图说明
图1是本发明光控宽带方向图可重构天线介质基板正面结构示意图。
图2是本发明光控宽带方向图可重构天线介质基板反面结构示意图。
图3是本发明光控宽带方向图可重构天线回波损耗波形图。
图4是本发明光控宽带方向图可重构天线光控开关处于第一种模式时辐射方向图(仅取了其中一个频点)。
图5是本发明光控宽带方向图可重构天线光控开关处于第二种模式时辐射方向图(仅取了其中一个频点)。
图6是本发明光控宽带方向图可重构天线光控开关处于第三种模式时辐射方向图(仅取了其中一个频点)。
图7是本发明光控宽带方向图可重构天线光控开关处于第四种模式时辐射方向图(仅取了其中一个频点)。
图8是本发明光控宽带方向图可重构天线前后比随频率的变化。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例公开了一种光控宽带方向图可重构天线，如图1和2所示，包括介质基板4、设置在介质基板正面的辐射单元以及设置在介质基板反面的与馈电线连接的宽带馈电网络。其中辐射单元和宽带馈电网络均通过蚀刻的方式设置于介质基板上。
如图1所示，辐射单元包括两两对称并且正交分布四个弯折偶极子，四个弯折偶极子分别对应连接在中心的“十”字型单元的四个矩形枝节端部。其中“十”字型单元通过蚀刻的方式设置于介质基板上。
本实施例“十”字型单元包括第一中心方形贴片以及分别连接在第一方形贴片四边的第一矩形枝节2A、第二矩形枝节2B、第三矩形枝节2C和第四矩形枝节2D。其中第一矩形枝节2A、第二矩形枝节2B、第三矩形枝节2C和第四矩形枝节2D的宽度均为15.6mm；长度均为13.2mm。
第一矩形枝节2A端部连接第一弯折偶极子1A，第二矩形枝节2B端部连接第二弯折偶极子1B，第三矩形枝节2C端部连接第三弯折偶极子1C，第四矩形枝节2D端部连接第四弯折偶极子1D。本实施例中弯折偶极子中的每个偶极子臂均为“L”型，弯折偶极子端部设置有扇形弯折部分。每个弯折偶极子的电长度为均为0.5λ0，其中λ0为中心频率2.2GHz所对应自由空间的波长；所述弯折偶极子的宽度为6mm。
第一弯折偶极子1A中偶极子臂之间的缝隙为第一缝隙3A，第二弯折偶极子1B中偶极子臂之间的缝隙为第二缝隙3B，第三弯折偶极子1C中偶极子臂之间的缝隙为第三缝隙3C，第四弯折偶极子1D中偶极子臂之间的缝隙为第四缝隙3D，在本实施例中第一缝隙3A、第二缝隙3B、第三缝隙3C和第四缝隙3D的宽度均为2.2mm，长度均为16mm。
如图2所示，本实施例中宽带馈电网络包括位于中心的“十”字型贴片5以及“十”字型贴片5周围等角度间隔环绕的四条弯折微带线。
四条弯折微带线分别为第一弯折微带线、第二弯折微带线、第三弯折微带线和第四弯折微带线。其中介质基板正面的四个弯折偶极子与介质基板反面四条弯折微带线的分布的位置为一一对应关系。
即第一弯折偶极子分布在介质基板正面的位置和第一弯折微带线分布在介质基板反面的位置相对，第二弯折偶极子分布在介质基板正面的位置和第二弯折微带线分布在介质基板反面的位置相对，第三弯折偶极子分布在介质基板正面的位置和第三弯折微带线分布在介质基板反面的位置相对，第四弯折偶极子分布在介质基板正面的位置和第四弯折微带线分布在介质基板反面的位置相对。
本实施例中每条弯折微带线均由位置相对的第一“L”型微带线7A、7B、7C、7D和第二“L”型微带线8A、8B、8C、8D组成；每条弯折微带线中，第一“L”型微带线和第二“L”型微带线的两端分别定义为第一端和第二端，第一“L”型微带线的第一端与第二“L”型微带线的第一端连接，第二“L”型微带线的第二端开路。
本实施例中“十”字型贴片包括第二中心方形贴片以及分别连接在第二方形贴片四边的第五矩形枝节、第六矩形枝节、第七矩形枝节和第八矩形枝节。其中上述四个矩形枝节的长度均为3mm，宽度均为1mm。
四条弯折微带线的第一“L”型微带线的第二端分别通过光控开关与“十”字型贴片的四个矩形枝节端部对应连接，“十”字型贴片中心馈电。具体为第一弯折微带线的第一“L”型微带线7A第二端通过第一光控开关6A与“十”字型贴片的第一矩形枝节端部连接，第二弯折微带线的第一“L”型微带线7B第二端通过第二光控开关6B与“十”字型贴片的第二矩形枝节端部连接，第三弯折微带线的第一“L”型微带线7C第二端通过第三光控开关6C与“十”字型贴片的第三矩形枝节端部连接，第四弯折微带线的第一“L”型微带线7C第二端通过第四光控开关6D与“十”字型贴片的第四矩形枝节端部连接。
在本实施例中每条弯折微带线中第一“L”型微带线由垂直连接的第一微带线和第二微带线组成，第二“L”型微带线由垂直连接的第三微带线和第四微带线组成，其中第一“L”型微带线通过第二微带线连接第二“L”型微带线的第三微带线，其中第二微带线和第三微带线为平行关系，第一微带线和第四微带线为平行关系，第一“L”型微带线通过第一微带线连接光控开关后连接“十”字型贴片的矩形枝节端部，其中四条弯折微带线的第三微带线与四个弯折偶极子中偶极子臂之间缝隙为一一对应的垂直关系。
本实施例中第一微带线和第二微带线的宽度均为1mm，第一微带线的长度为26mm，第二微带线的长度为3.5mm；第三微带线和第四微带线的宽度均为1.4mm，第三微带线的长度为2.5mm，第四微带线的长度为14mm。
本实施例中各个弯折偶极子中偶极子臂之间存在的缝隙与介质基板反面的各条弯折微带线中的第二“L”型微带线对应组成宽带巴伦，总共组成四个形状以及尺寸相同宽带巴伦，利用缝隙和微带线耦合来实现宽带匹配，使得天线获得较宽的阻抗带宽。本实施例中“十”字型贴片和四条弯折微带线中的第一“L”型微带线构成阻抗匹配电路，能够使得天线实现较好的阻抗匹配。
本实施例中介质基板4是厚度为0.8mm的高频板Rogers 4350B板材，长度和宽度均为80mm，相对介电常数3.48，损耗角正切是0.0027。
本实施例中光控开关为光控硅开关，由硅片组成。通过激光的照射来改变光控开关的通断工作模式，从而改变天线辐射的波束方向。当有激光照射时，光控开关导通，表现为“短路”，当无激光照射时，光控开关不导通，表现为“开路”。
如表1所示，根据四条弯折微带线的第一“L”型微带线和“十”字型贴片的四个矩形枝节之间的第一光控开关6A、第二光控开关6B、第三光控开关6C和第四光控开关6D状态定义四种模式，分别为第一种模式、第二种模式、第三种模式和第四种模式。其中如图3所示，天线处于四种模式时的工作频段均相同。取中心频点2.2GHz，当天线处于第一种模式时，天线辐射方向图如图4所示，当天线处于第二种模式时，天线辐射方向图如图5所示，当天线处于第三种模式时，天线辐射方向图如图6所示，当天线处于第四种模式时，天线辐射方向图如图7所示。如图8所示为本实施例天线前后比随频率的变化曲线图，通过曲线图可以看出本实施例天线可在2.0～2.86GHZ实现前后比大于10dB的方向图可重构。
表1
可见，本实施例通过控制四个光控开关的状态实现天线的方向图可重构，并且通过四个光控开关能够实现四种方向图可重构，具有尺寸小、重量轻、结构简单、无反射板、带宽较宽以及开关电磁干扰小等优点，非常适用于智能武器寻地、汽车和飞机雷达、无线和卫星通信等领域。
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上述实施例的限制，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)

1.一种光控宽带方向图可重构天线，包括介质基板以及设置在介质基板正面的辐射单元，其特征在于，还包括设置在介质基板反面的宽带馈电网络；
所述辐射单元包括两两对称并且正交分布的四个弯折偶极子，所述四个弯折偶极子分别对应连接在中心的“十”字型单元的四个矩形枝节端部；
所述宽带馈电网络包括位于中心的“十”字型贴片以及“十”字型贴片周围等角度间隔环绕的四条弯折微带线；所述每条弯折微带线均由位置相对的第一“L”型微带线和第二“L”型微带线组成；每条弯折微带线中，第一“L”型微带线的第一端与第二“L” 型微带线的第一端连接，第二“L” 型微带线的第二端开路；四条弯折微带线的第一“L”型微带线的第二端分别通过光控开关与“十”字型贴片的四个矩形枝节端部对应连接，“十”字型贴片中心馈电；
所述每条弯折微带线中第一“L”型微带线由垂直连接的第一微带线和第二微带线组成，第二“L”型微带线由垂直连接的第三微带线和第四微带线组成，其中第一“L”型微带线通过第二微带线连接第二“L”型微带线的第三微带线，第一“L”型微带线通过第一微带线连接光控开关后连接“十”字型贴片的矩形枝节端部，其中四条弯折微带线的第三微带线与四个弯折偶极子中偶极子臂之间缝隙为一一对应的垂直关系；所述各个弯折偶极子中偶极子臂之间存在的缝隙与介质基板反面的各条弯折微带线中的第二“L”型微带线对应组成宽带巴伦，总共组成四个形状以及尺寸相同宽带巴伦，利用缝隙和微带线耦合来实现宽带匹配，使得天线获得较宽的阻抗带宽；
所述光控开关为光控硅开关，由硅片组成，设置在第一“L”型微带线的第一微带线与“十”字型贴片的矩形枝节端部之间。
2.根据权利要求1所述的光控宽带方向图可重构天线，其特征在于，介质基板正面的四个弯折偶极子与介质基板反面四条弯折微带线的分布的位置为一一对应关系。
3.根据权利要求1所述的光控宽带方向图可重构天线，其特征在于，所述弯折偶极子中的每个偶极子臂均为“L”型，弯折偶极子端部设置有扇形弯折部分。
4.根据权利要求1所述的光控宽带方向图可重构天线，其特征在于，所述每个弯折偶极子的电长度均为0.5λ0，宽度均为6mm，其中λ0为中心频率2.2GHz所对应自由空间的波长。
5.根据权利要求1中所述的光控宽带方向图可重构天线，其特征在于，所述每个弯折偶极子中偶极子臂之间缝隙的宽度均为2.2mm，长度均为16mm。
6.根据权利要求1中所述的光控宽带方向图可重构天线，其特征在于，所述 “十”字型单元的四个矩形枝节宽度均为15.6mm；长度均为13.2mm。
7.根据权利要求1所述的光控宽带方向图可重构天线，其特征在于，第一微带线和第二微带线的宽度均为1mm，第一微带线的长度为26 mm，第二微带线的长度为3.5 mm；第三微带线和第四微带线的宽度均为1.4mm，第三微带线的长度为2.5 mm，第四微带线的长度为14mm；“十”字型贴片中四个矩形枝节的长度均为3mm，宽度均为1mm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光控宽带方向图可重构天线，其特征在于，所述介质基板为高频板，其长度和宽度均为80mm。
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