CN106486756B - 一种宽带低剖面方向图可重构天线 - Google Patents

一种宽带低剖面方向图可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带低剖面方向图可重构天线，包括四个纵横方向二维阵列排布的天线单元、四个与天线单元一一对应的开关、一分四的等幅度等相位功率分配器；所述每个天线单元设置有两个馈电端口，各天线单元两端的馈电端口分别通过微带传输线(7)与开关相连；所述一分四的等幅度等相位功率分配器的四个分支分别与开关相连，所述开关用于控制等幅度等相位功率分配器分别馈电于每个天线单元的两个端口的其中一个端口，使天线单元两端只有一个端口处于工作状态。本发明不仅具有低剖面，宽带宽，结构简单，易于集成等优点，而且还具有一致性、结构简单、易于实现、成本低等优点。

Description

一种宽带低剖面方向图可重构天线
技术领域
本发明涉及一种宽带低剖面方向图可重构天线，属于天线技术领域。
背景技术
无线通信技术的快速发展对系统需求以及工作模式提出了更高要求，传统的单功能天线不能很好的满足当前的需要，并成为制约系统性能发展的瓶颈。可重构天线的提出和发展给这些问题提供了很好的解决方案。方向图可重构天线能够根据实际需求和环境变化控制天线的主波束以及零方向。同时，随着通信业务的飞速增长，系统对天线的可用带宽要求越来越高。
由于现代单层PCB工艺十分成熟，在不是十分高的频段内，加工精度也十分有保证，同时加工的产品可以拥有低轮廓、小体积、高集成度的特性，有利于天线的大规模生产与应用。因此，使用单层PCB工艺的极化可重构基片集成波导缝隙天线在低轮廓、高集成度以及降低成本上都有很现实的意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种宽带低剖面方向图可重构天线，该方向图可重构天线仅需要四个天线单元(或子阵列)、四个开关和一个简单的功率分配器结构就可以构成，与一般方向图可重构天线相比，具有低剖面，宽带宽，结构简单，易于集成等优点。它具有一致性、结构简单、易于实现、成本低等优点。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种宽带低剖面方向图可重构天线，包括四个纵横方向二维阵列排布的天线单元、四个与天线单元一一对应的开关、一分四的等幅度等相位功率分配器；每个天线单元设置有两个馈电端口，各天线单元两端的馈电端口分别通过微带传输线(7)与开关相连；所述一分四的等幅度等相位功率分配器的四个分支分别与开关相连，所述开关用于控制等幅度等相位功率分配器分别馈电于每个天线单元的两个馈电端口的其中一个馈电端口，使天线单元两个馈电端口只有一个馈电端口处于工作状态。
优选的：所述天线单元包括上介质基片(12)、下介质基片(11)、上金属层(21)、中金属层(22)、下金属层(23)和2个以上阵列式排布成谐振腔(4)的金属通孔(41)，所述上介质基片(12)、下介质基片(11)由上到下依次设置；所述上金属层(21)设置于上介质基片(12)的上表面，中金属层(22)设置于下介质基片(11)的上表面，而所述下金属层(23)设置于下介质基片(11)的下表面；所述金属通孔(41)依次贯穿中金属层(22)、下介质基片(11)以及下金属层(23)，且金属通孔(41)的上端与中金属层(22)的上表面连接，而下端与下金属层(23)的下表面连接；所述中金属层 (22)上设置有天线单元激励层，所述天线单元激励层用于激励上介质基片(12)上设置的上金属层(21)；所述下金属层(23)上设置有天线单元馈电结构，所述天线单元馈电结构与微带传输线(7)相连。
优选的：所述上金属层(21)包括四个寄生贴片(211)，所述寄生贴片(211)在上介质基片(12)上呈纵横方向二维阵列排布。
优选的：所述中金属层(22)的上表面且位于谐振腔(4)的四周蚀刻出环形缝隙作为辐射缝隙(2)，所述辐射缝隙(2)作为天线单元激励层。
优选的：所述天线单元的两个馈电端口设置在下金属层(23)上，所述馈电端口蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线(3)，所述有限接地共面波导传输线(3)作为天线单元馈电结构，所述馈电端口通过有限接地共面波导传输线(3)与传输线(7)相连。
优选的：所述谐振腔(4)的轮廓为方形或长方形。
优选的：所述天线单元的工作模式为谐振腔(4)的高次TE210模式。
优选的：两个馈电端口相位相差180度。
优选的：所述一分四的等幅度等相位功率分配器包括第一等相位等幅度功率分配器 (6)、第二等相位等幅度功率分配器(51)、第三等相位等幅度功率分配器(52)，所述第二等相位等幅度功率分配器(51)和第三等相位等幅度功率分配器(52)相并联后与第一等相位等幅度功率分配器(6)串联。
有益效果：本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1、整个天线单元(或子阵列)主要有金属层和金属化通孔组成，整个结构可以用传统的PCB或LTCC工艺来实现；
2、该天线能通过四个一分二开关和三个的威尔金森功率分配器改变天线单元(或子阵列)的信号输入端口，从而实现和波束、方位差波束、俯仰差波束和双差波束，即形成方向图可重构天线。
3、该天线具有四种不同的方向图：和波束、俯仰差波束、方位差波束和双差波束，同时满足较好驻波特性，，且带宽宽、轮廓低、体积小、实现简单，易于集成。
4、本发明中，通过开关控制天线单元(或子阵列)的信号输入端口：当四个天线都从相同相位输入时，将实现和波束；当四个天线单元(或子阵列)中横向的上下两对天线单元(或子阵列)从相同相位的端口输入，纵向的左右两对天线单元(或子阵列) 从相反相位输入，则实现俯仰差波束；反之，当四个天线单元(或子阵列)中横向的上下两对天线单元(或子阵列)从相反相位的端口输入，纵向的两对天线单元(或子阵列) 从相同相位输入，则实现方位差波束；当每相邻的两个天线单元(或子阵列)都从相反相位的端口输入，则实现了双差波束。
附图说明
图1为一种方向图可重构天线中天线单元(或子阵列)的上金属层结构示意图；
图2为天线单元(或子阵列)的中金属层结构示意图；
图3为天线单元(或子阵列)的下金属层结构示意图；
图4为2×2方向图可重构天线阵列的上金属层结构示意图；
图5为方向图可重构天线阵列的中金属层结构示意图；
图6为方向图可重构天线阵列的下金属层结构示意图；
图7为金属化通孔的剖视结构示意图；
图8为方向图可重构天线在和波束状态下仿真和测试的回波损耗|S11|；
图9为方向图可重构天线在方位差波束状态下仿真和测试的回波损耗|S11|；
图10为方向图可重构天线在俯仰差波束状态下仿真和测试的回波损耗|S11|；
图11为方向图可重构天线在双差波束状态下仿真和测试的回波损耗|S11|；
图12为天线在频率5.4GHz和6GHz时波束归一化增益方向图,其中，图12a为天线在频率5.4GHz时波束归一化增益方向图，图12b为天线在频率6GHz时波束归一化增益方向图；
图13为天线在频率5.4GHz和6GHz时方位差波束归一化增益方向图,其中，图13a为天线在频率5.4GHz时方位差波束归一化增益方向图,图13b为天线在频率6GHz时方位差波束归一化增益方向图；
图14为天线在频率5.4GHz和6GHz时俯仰差波束归一化增益方向图,其中，图14a为天线在频率5.4GHz时俯仰差波束归一化增益方向图,图14b为天线在频率6GHz时俯仰差波束归一化增益方向图；
图15为天线在频率5.4GHz和6GHz时双差波束归一化增益方向图φ＝45°，其中，图15a为天线在频率5.4GHz时双差波束归一化增益方向图φ＝45°，图15b为天线在频率6GHz时双差波束归一化增益方向图φ＝45°，；
图16为天线在频率5.4GHz和6GHz时双差波束归一化增益方向图φ＝135°，其中，图16a为天线在频率5.4GHz时双差波束归一化增益方向图φ＝135°，图16b为天线在频率6GHz时双差波束归一化增益方向图φ＝135°；
图17为在法向方向上，天线在和波束状态时随频率变化下的增益变化关系图；
图18为在法向方向上，天线在方位差波束状态时随频率变化下的增益变化关系图；
图19为在法向方向上，天线在俯仰差波束状态时随频率变化下的增益变化关系图；
图20为在法向方向上，天线在双差波束状态时随频率变化下的增益变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种宽带低剖面方向图可重构天线，如图4、图5、图6所示2×2方向图可重构天线阵列，包括四个纵横方向二维阵列排布的天线单元(或子阵列)、四个与天线单元一一对应的单刀双掷开关、一个一分四的等幅度等相位功率分配器，每个天线单元采用谐振腔4和寄生贴片结构设计拓展带宽，并且包括两个馈电端口，各天线单元(或子阵列) 两端的馈电端口分别通过共面波导传输线3转微带传输线7与开关相连，开关控制使天线单元(或子阵列)两端只有一个端口处于工作状态；三个等相位等幅度功率分配器，其中一个功率分配器并联另两个功率分配器，从而构成一个一分四的等幅度等相位功率分配器，这个一分四的等幅度等相位功率分配器四个分支分别与开关相连，通过开关控制，可分别馈电于四个天线单元(或子阵列)的两个端口的其中一个端口。改变开关的状态，即改变天线单元(或子阵列)的输入端口(又称馈电端口，简称端口)，从而改变天线单元(或子阵列)的相位，可形成四种不同的天线方向图：和波束、方位差波束、俯仰差波束和双差波束，从而可实现方向图可重构天线。
如图1、2、3所示，为一种小型的方向图可重构天线的天线单元(或子阵列)，该天线单元(或子阵列)的工作模式为方形谐振腔4的高次简并模式；天线单元(或子阵列)包括上介质基片12、下介质基片11、上金属层21、中金属层22、下金属层23和金属通孔，所述金属通孔贯穿下介质基片11、上下两端分别连接中金属层22和下金属层23。天线具有两个输入端口，两个输入端口相位相差180度。
如图1所示，所述上金属层21由四个寄生贴片211组成，所述寄生贴片211在上介质基片12上呈纵横方向二维阵列排布。
具体的，在中金属层22的上表面且位于谐振腔4的四周蚀刻出环形缝隙作为辐射缝隙2，所述辐射缝隙2作为天线单元(或子阵列)的激励层，激励上金属层寄生贴片 21。单元的两个馈电端口设置在下金属层23上，所述馈电端口蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线3，所述有限接地共面波导传输线3作为天线单元(或子阵列)的馈电结构，并与微带传输线7相连；
具体的，所述第一等相位等幅度功率分配器6通过并联两个第二功率分配器(51、51)形成一个一分四的等相位等幅度功率分配器，所述一分四的等相位等幅度功率分配器的四个分支分别与四个开关相连。如图6所示，所述一分四的等幅度等相位功率分配器包括第一等相位等幅度功率分配器6、第二等相位等幅度功率分配器51、第三等相位等幅度功率分配器52，所述第二等相位等幅度功率分配器51和第三等相位等幅度功率分配器52相并联后与第一等相位等幅度功率分配器6串联，第一等相位等幅度功率分配器6、第二等相位等幅度功率分配器51、第三等相位等幅度功率分配器52均为传统的威尔金森功率分配器。
基于上述，如图7所示，所述天线单元(或子阵列)包括上介质基片12、下介质基片11、上金属层21、中金属层22、下金属层23和2个以上阵列式排布成谐振腔4的金属通孔41，所述上介质基片12、下介质基片11由上到下依次设置；所述上金属层21 设置于上介质基片12的上表面，中金属层22设置于下介质基片11的上表面，而所述下金属层23设置于下介质基片11的下表面；所述金属通孔41依次贯穿中金属层22、下介质基片11以及下金属层23，且金属通孔41的上端与中金属层22的上表面连接，而下端与下金属层23的下表面连接；所述中金属层22上设置有天线单元激励层，所述天线单元激励层用于激励上介质基片12上设置的上金属层21；所述下金属层23上设置有天线单元馈电结构，所述天线单元馈电结构与微带传输线7相连，所述各金属通孔41 阵列式排布成谐振腔4。所述谐振腔4的轮廓为方形，所述天线单元(或子阵列)的工作模式为谐振腔4的高次简并模式TE120和TE210模式，谐振腔4轮廓具体尺寸根据所述高次简并模式进行计算。
所述中金属层22上谐振腔4的四周蚀刻出环形缝隙作为辐射缝隙2，所述辐射缝隙2作为天线单元(或子阵列)的激励层，激励上金属层寄生贴片21。所述天线单元(或子阵列)的两个馈电端口设置在下金属层23上，所述馈电端口蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线3(FG-CPW)，所述有限接地共面波导传输线3作为天线单元(或子阵列)的馈电结构，并与微带传输线7相连。所述一分二开关决定天线的馈电端口，从而改变辐射单元的相位，实现和波束、方位差波束、俯仰差波束及双差波束。
本发明中，基于方形的基片集成波导背腔天线单元(或子阵列)分别从两个角方向进行馈电时，由于结构对称，因此通过对角端口馈电时辐射场相位相差180度。通过开关控制天线单元(或子阵列)的信号输入端口：当四个天线都从相同相位输入时，将实现和波束；当四个天线单元(或子阵列)中横向的上下两对天线单元(或子阵列)从相同相位的端口输入，纵向的左右两对天线单元(或子阵列)从相反相位输入，则实现俯仰差波束；反之，当四个天线单元(或子阵列)中横向的上下两对天线单元(或子阵列) 从相反相位的端口输入，纵向的两对天线单元(或子阵列)从相同相位输入，则实现方位差波束；当相邻的天线单元从相反的端口输入，则实现双差波束。
基于本发明思想，利用PCB工艺制作圆极化单脉冲天线，并进行相关测试：图8，图9，图10，图11分别为该天线阵列的和波束、俯仰差波束,、方位差波束和双差波束的仿真和测试的回波损耗|S11|；图12天线在频率5.4GHz和6GHz时和波束归一化增益方向图；图13天线在频率5.4GHz和6GHz时俯仰差波束归一化增益方向图；图14天线在频率5.4GHz和6GHz时方位差波束归一化增益方向图；图15天线在频率5.4GHz和6GHz 时双差波束归一化增益方向图φ＝45°；图16天线在频率5.4GHz和6GHz时双差波束归一化增益方向图φ＝135°；图17为在法向方向上，天线在和波束时随频率变化下的增益变化关系图；图18为在法向方向上，天线在俯仰差波束随频率变化下的增益变化关系图；图19为在法向方向上，天线在方位差波束随频率变化下的增益变化关系图；图20 为在法向方向上，天线在双差波束随频率变化下的增益变化关系图。测试表明，该天线具有四种不同的方向图：和波束、俯仰差波束、方位差波束和双差波束，在很宽的频带内同时满足较好的驻波特性，且轮廓低、体积小、实现简单，易于集成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种宽带低剖面方向图可重构天线，其特征在于：包括四个纵横方向二维阵列排布的天线单元、四个与天线单元一一对应的开关、一分四的等幅度等相位功率分配器；每个天线单元设置有两个馈电端口，各天线单元两端的馈电端口分别通过微带传输线（7）与开关相连；所述一分四的等幅度等相位功率分配器的四个分支分别与开关相连，所述开关用于控制等幅度等相位功率分配器分别馈电于每个天线单元的两个馈电端口的其中一个馈电端口，使天线单元两个馈电端口只有一个馈电端口处于工作状态；
所述天线单元包括上介质基片（12）、下介质基片（11）、上金属层（21）、中金属层（22）、下金属层（23）和2个以上阵列式排布成谐振腔（4）的金属通孔（41），所述上介质基片（12）、下介质基片（11）由上到下依次设置；所述上金属层（21）设置于上介质基片（12）的上表面，中金属层（22）设置于下介质基片（11）的上表面，而所述下金属层（23）设置于下介质基片（11）的下表面；所述金属通孔（41）依次贯穿中金属层（22）、下介质基片（11）以及下金属层（23），且金属通孔（41）的上端与中金属层（22）的上表面连接，而下端与下金属层（23）的下表面连接；所述中金属层（22）上设置有天线单元激励层，所述天线单元激励层用于激励上介质基片（12）上设置的上金属层（21）；所述下金属层（23）上设置有天线单元馈电结构，所述天线单元馈电结构与微带传输线（7）相连；所述上金属层（21）包括四个寄生贴片（211），所述寄生贴片（211）在上介质基片（12）上呈纵横方向二维阵列排布；
所述中金属层（22）的上表面且位于谐振腔（4）的四周蚀刻出环形缝隙作为辐射缝隙（2），所述辐射缝隙（2）作为天线单元激励层；所述天线单元的两个馈电端口设置在下金属层（23）上，所述馈电端口蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线（3），所述有限接地共面波导传输线（3）作为天线单元馈电结构，所述馈电端口通过有限接地共面波导传输线（3）与微带传输线（7）相连；
所述天线单元的工作模式为谐振腔（4）的高次简并模式TE120和TE210模式；
通过开关控制天线单元的信号输入端口：当四个天线都从相同相位输入时，将实现和波束；当四个天线单元中横向的上下两对天线单元从相同相位的端口输入，纵向的左右两对天线单元从相反相位输入，则实现俯仰差波束；反之，当四个天线单元中横向的上下两对天线单元从相反相位的端口输入，纵向的两对天线单元从相同相位输入，则实现方位差波束；当每相邻的两个天线单元都从相反相位的端口输入，则实现了双差波束。
2.根据权利要求1所述的宽带低剖面方向图可重构天线，其特征在于：所述谐振腔（4）的轮廓为长方形。
3.根据权利要求1所述的宽带低剖面方向图可重构天线，其特征在于：两个馈电端口相位相差180度。
4.根据权利要求1所述的宽带低剖面方向图可重构天线，其特征在于：所述一分四的等幅度等相位功率分配器包括第一等相位等幅度功率分配器（6）、第二等相位等幅度功率分配器（51）、第三等相位等幅度功率分配器（52），所述第二等相位等幅度功率分配器（51）和第三等相位等幅度功率分配器（52）相并联后与第一等相位等幅度功率分配器（6）串联。
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