CN106785383A - 一种馈电网络层、天线系统及其产生四种极化方式的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种馈电网络层，包括互成镜像对称的两个馈电网络；每个馈电网络包括馈电输入端口、Wilkinson功分器、慢波线结构、Schiffman移相器和分支线定向耦合器；一种天线系统，包括从下往上依次层叠的馈电网络层、第二介质基板层、金属地层、第一介质基板层和辐射层；一种天线系统产生四种极化方式的方法，其四种极化方式为：左旋圆极化、右旋圆极化、+45°线极化和‑45°线极化。本发明设计巧妙、结构简单，解决了现有技术中使用的通过改变天线振子的物理方向以及通过加载射频开关来实现四极化天线而导致结构不稳定、成本高的缺陷，保证了天线加工简单、易于集成的要求。

Description

一种馈电网络层、天线系统及其产生四种极化方式的方法
技术领域
本发明涉及天线领域，具体地讲，是涉及一种馈电网络层、天线系统及其产生四种极化方式的方法。
背景技术
随着现代通信技术飞速发展以及认知无线电、MIMO、物联网等系统的兴起，多功能通信在移动通信和卫星通信系统中的需求越来越大。而多极化以及极化选择技术则因其防止信道衰落、增强通信可靠性和信道容量的优点而被广泛的应用在多功能通信系统中。因此，天线多极化也是当前天线领域一大研究热点。
为了同时实现天线的四极化进而实现MIMO系统的工作，毕奇等人公开了一种四极化天线和四极化多天线阵（毕奇、谢伟良，四极化天线和四极化多天线阵，中国发明专利，申请号201210231562 .8， 申请日2012 .07 .05），通过将四个具有不同极化方向的极化振子集成在一个天线振子中，实现了天线的四极化功能。只是该天线存在四个极化都是线极化，且四个天线振子间的极化隔离度并不好等缺点。Y-F. Wu 等人公开了一种可重构的四极化缝隙耦合天线（Y-F. Wu, C-H. Wu, D-Y Lai, and F-C. Chen, “A ReconfigurableQuadri-Polarization Diversity Aperture-Coupled Patch Antenna,” IEEE Trans.Antennas Propag, vol. 55, no. 3, pp.1009-1012, Mar.2007），通过在馈电网络中加载射频开关来控制信号通路来实现极化选择。只是由于加载射频开关导致结构复杂，实际加工困难、成本高等缺点。
综上所述，目前出现的四极化天线实现方式在加工和性能两方面难以实现兼顾，难以满足市场的实际需求。
发明内容
为克服现有技术中的上述问题，本发明提供设计巧妙、结构简单的一种馈电网络层。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种馈电网络层，包括互成镜像对称的两个馈电网络；每个馈电网络包括馈电输入端口、Wilkinson功分器、慢波线结构、Schiffman移相器和分支线定向耦合器；每个馈电网络中的馈电输入端口连接Wilkinson功分器的输入端口，Wilkinson功分器的第一输出端口依次连接慢波线结构、Schiffman移相器和分支线定向耦合器的第一输入端口；两个馈电网络通过交叉结构的四个端口连接在一起；交叉结构的第一端口和第三端口分别连接第一馈电网络中的分支线定向耦合器的第二输入端口和第二馈电网络中的分支线定向耦合器中的第二输入端口，交叉结构的第二端口和第四端口分别连接第一馈电网络中的Wilkinson功分器的第二输出端口和第二馈电网络中的Wilkinson功分器的第二输出端口；两个分支线定向耦合器中的四个输出端口为馈电输出端口。
一种包括上述馈电网络层的天线系统，包括从下往上依次层叠的馈电网络层、第二介质基板层、金属地层、第一介质基板层和辐射层，以及垂直穿过馈电网络层、第二介质基板层、金属地层、第一介质基板层和辐射层，并且，电连接馈电网络层和辐射层的金属探针，其中，所述馈电网络层采用如上述所述的馈电网络层；并且，两个分支线定向耦合器中的四个馈电输出端口，通过四根金属探针与辐射层的四个第一开孔电连接。
该辐射层包括四个尺寸一样的正方形金属贴片和一个“十”字型金属贴片；四个正方形金属贴片分别置于“十”字型金属贴片划分形成的四个象限内；每个正方形金属贴片的每边分别平行于“十”字型金属贴片的横臂和纵臂，且其与横臂和纵臂形成的缝隙的间距相等；“十”字型金属贴片的四臂长度小于正方形金属贴片的边长；四个金属探针在辐射层形成的四个第一开孔；该四个第一开孔分别位于“十”字型金属贴片的四个顶端处；“十”字型金属贴片通过金属探针从馈电网络层获得能量，并通过耦合的方式将能量耦合到四个正方形金属贴片。
具体地，该第一介质基板层和第二介质基板层的相对介电常数均为3.55；第一介质基板层的厚度为2mm，第二介质基板层的厚度为0.508mm。
作为优选，该金属探针为圆柱形，其直径为1.2mm。
作为优选，该Schiffman移相器是具有90°移相功能的移相器。
具体地，天线与馈电网络的工作频率为2.45GHz；其对应的自由空间波长为λ=122.4mm。
具体地，“十”字型金属贴片的四臂长度均为λ/4。
具体地，Wilkinson功分器、慢波线结构、Schiffman移相器和分支线定向耦合器相互之间依次用50欧姆微带线连接。
基于上述一种天线系统形成四种极化方式的方法，分别包括：
产生左旋圆极化方式的方法：对两个馈电输入端口分别施加幅度为1相位为0°和幅度为0相位为0°的激励，四个馈电输出端口上的响应分别为幅度为1相位为0°、幅度为1相位为-90°、幅度为1相位为-180°和幅度为1相位为-270°，天线极化方式为左旋圆极化；
产生右旋圆极化方式的方法：对两个馈电输入端口分别施加幅度为0相位为0°和幅度为1相位为0°的激励，四个馈电输出端口上的响应分别为幅度为1相位为-270°、幅度为1相位为-180°、幅度为1相位为-90°、幅度为1相位为0°，天线极化方式为右旋圆极化；
产生+45°线极化方式的方法：对两个馈电输入端口分别施加幅度为1相位为0°和幅度为1相位为-90°的激励，四个馈电输出端口上的响应分别为幅度为1相位为0°、幅度为0相位为0°、幅度为1相位为-180°、幅度为0相位为0°，天线极化方式为+45°线极化；
产生-45°线极化方式的方法：对两个馈电输入端口分别施加幅度为1相位为-90°和幅度为1相位为0°的激励，四个馈电输出端口上的响应分别为幅度为0相位为0°、幅度为1相位为-180°、幅度为0相位为0°、幅度为1相位为0°，天线极化方式为-45°线极化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中的馈电网络结构为对称结构，这种对称结构的设计有效的提高了极化隔离度，保证了天线优良的性能，有效解决了现有技术中交叉极化恶化的问题。
（2）本发明通过对馈电输入端口采取不同的激励方式来实现四极化天线功能，实现过程简单，减少对天线本身的设计的依赖，应用推广便捷、成本低。
（3）本发明设计巧妙、结构简单，采用单层基板对天线基板进行馈电的方式，解决了现有技术中使用的通过改变天线振子的物理方向以及通过加载射频开关来实现四极化天线而导致结构不稳定、成本高的缺陷，保证了天线加工简单、易于集成的要求。
（4）本发明提出的用于实现四极化天线的新型馈电网络其设计尺寸与实际应用中所需频率相关，可以根据实际需求进行设计和优化，具有很好的可迁移性，扩大了其应用范围。
附图说明
图1为本发明中的辐射层的结构示意图。
图2为本发明中馈电网路层的结构示意图。
图3为本发明的剖面结构示意图。
图4为本发明工作频率为2.5GHz时，天线极化模式为+45o线极化时的方向图。
图5为本发明工作频率为2.5GHz时，天线极化模式为-45o线极化时的方向图。
图6为本发明工作频率为2.5GHz时，天线极化模式为左旋圆极化时的方向图。
图7为本发明工作频率为2.5GHz时，天线极化模式为右旋圆极化时的方向图。
图8为Schiffman移相器的结构示意图。
图9为慢波线结构的结构示意图。
附图标记说明：1—正方形金属贴片，2—“十”字型金属贴片，3—第一开孔，4—交叉结构，5—Schiffman移相器，6—Wilkinson功分器，61—馈电输入端口，7—慢波线结构，8—分支线定向耦合器，（81、82、83、84）—馈电输出端口，9—辐射层，10—第一介质基板层，11—第二介质基板层，12—第二开孔，13—金属探针，14—馈电网络层，15—金属地层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图3所示，一种天线系统，包括从下往上依次层叠的馈电网络层14、第二介质基板层11、金属地层15、第一介质基板层10和辐射层9，以及垂直穿过馈电网络层14、第二介质基板层11、金属地层15、第一介质基板层10和辐射层9，并且，电连接馈电网络层14和辐射层9的金属探针13；金属探针13穿过金属地层15时，形成四个不和金属探针13建立电连接的第二开孔12；
辐射层9包括四个尺寸一样的正方形金属贴片1和一个“十”字型金属贴片2；四个正方形金属贴片1分别置于“十”字型金属贴片2划分形成的四个象限内；每个正方形金属贴片1的每边分别平行于“十”字型金属贴片2的横臂和纵臂，且其与横臂和纵臂形成的缝隙的间距相等；“十”字型金属贴片2的四臂长度小于正方形金属贴片1的边长；四个金属探针13在辐射层9形成的四个第一开孔3分别位于“十”字型金属贴片2的四个顶端处；“十”字型金属贴片2通过金属探针13从馈电网络层14获得能量，并通过耦合的方式将能量耦合到四个正方形金属贴片1；
馈电网络层14包括互成镜像对称的两个馈电网络；每个馈电网络包括馈电输入端口61、Wilkinson功分器6、慢波线结构7、Schiffman移相器5和分支线定向耦合器8；每个馈电网络中的馈电输入端口61连接Wilkinson功分器6的输入端口，Wilkinson功分器6的第一输出端口依次连接慢波线结构7、Schiffman移相器5和分支线定向耦合器8的第一输入端口；两个馈电网络通过交叉结构4的四个端口连接在一起；交叉结构4的第一端口和第三端口分别连接第一馈电网络中的分支线定向耦合器8的第二输入端口和第二馈电网络中的分支线定向耦合器8的第二输入端口，交叉结构4的第二端口和第四端口分别连接第一馈电网络中的Wilkinson功分器6的第二输出端口和第二馈电网络中的Wilkinson功分器6的第二输出端口；两个分支线定向耦合器8中的四个输出端口为馈电输出端口81、82、83、84，其通过四根金属探针13与辐射层9的四个第一开孔3电连接。
具体地，第一介质基板层10和第二介质基板层11的相对介电常数均为3.55；第一介质基板层10的厚度为2mm，第二介质基板层11的厚度为0.508mm。
作为优选，金属探针13为圆柱形，其直径为1.2mm。
作为优选，Schiffman移相器5是具有90°移相功能的移相器。
作为优选，Wilkinson功分器、慢波线结构、Schiffman移相器和分支线定向耦合器相互之间依次用50欧姆微带线连接。
具体地，天线与馈电网络的工作频率为2.45GHz；其对应的自由空间波长为λ=122.4mm。
具体地，“十”字型金属贴片2的四臂长度均为λ/4。
如图4~7所示，基于上述新型天线与馈电网络形成四种极化方式的方法，包括：
产生左旋圆极化方式的方法：对两个馈电输入端口61分别施加幅度为1相位为0°和幅度为0相位为0°的激励，四个馈电输出端口81、82、83、84上的响应分别为幅度为1相位为0°、幅度为1相位为-90°、幅度为1相位为-180°和幅度为1相位为-270°，天线极化方式为左旋圆极化；
产生右旋圆极化方式的方法：对两个馈电输入端口61分别施加幅度为0相位为0°和幅度为1相位为0°的激励，四个馈电输出端口81、82、83、84上的响应分别为幅度为1相位为-270°、幅度为1相位为-180°、幅度为1相位为-90°、幅度为1相位为0°，天线极化方式为右旋圆极化；
产生+45°线极化方式的方法：对两个馈电输入端口61分别施加幅度为1相位为0°和幅度为1相位为-90°的激励，四个馈电输出端口81、82、83、84上的响应分别为幅度为1相位为0°、幅度为0相位为0°、幅度为1相位为-180°、幅度为0相位为0°，天线极化方式为+45°线极化；
产生-45°线极化方式的方法：对两个馈电输入端口61分别施加幅度为1相位为-90°和幅度为1相位为0°的激励，四个馈电输出端口81、82、83、84上的响应分别为幅度为0相位为0°、幅度为1相位为-180°、幅度为0相位为0°、幅度为1相位为0°，天线极化方式为-45°线极化。
每个Wilkinson功分器6包括呈镜像对称的两路微带线组成；其中一路微带线呈“S”型，另一路微带线呈反“S”型；两路微带线的底部出口均与馈电输入端口61连接；两路微带线的顶部出口分别为Wilkinson功分器6的第一输出端口和第二输出端口。
如图9所示，每个慢波线结构7的输入端口连接相对应的Wilkinson功分器6的第一输出端口；每个慢波线结构7的输出端口通过50欧姆微带线连接Schiffman移相器5；每个慢波线结构7包括5个呈“E”字型微带线，相邻“E”字型通过两外臂平行连接。
如图8所示，每个Schiffman移相器5包括两根平行的带状线，且两根带状线在同一末端连接，两根带状线的另一端分别为输出端口和输入端口。
每个分支线定向耦合器8包括一个为矩形窗口形状的微带线，其水平方向的两根微带线向左右两边平行延伸出去，分别构成分支线定向耦合器8的两个输入端口和两个输出端口；两个分支线定向耦合器8的四个输出端口构成馈电输出端口81、82、83、84。
交叉结构也称为crossover结构；其由两根平行的微带线，以及垂直于平行微带线的三根微带线构成。两根平行的微带线的四个末端分别连接两个Wilkinson功分器6的第二输出端口和两个分支线定向耦合器8的输入端口。
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种具有四种极化可重构功能的新型天线及馈电网络，实现了四种不同的极化工作模式（水平线极化、垂直线极化、左旋圆极化、右旋圆极化），各种极化模式之间具有良好的极化隔离度。同时本发明结构简单、易于集成且成本低廉。
通过控制馈电网络的馈电方式可以轻松实现四种不同计划模式，包括两种正交的线极化、左旋圆极化和右旋圆极化。
本发明解决了现有技术中使用的多天线振子和加载射频开关导致的天线结构不稳定，不易集成，交叉极化恶化，成本高的缺陷，同时保证了天线辐射性能优良，极化隔离度高，而且本发明结构简单，易于集成，加工成本低，非常适合大规模制造、加工与生产。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种馈电网络层，其特征在于，包括互成镜像对称的两个馈电网络；每个馈电网络包括馈电输入端口、Wilkinson功分器、慢波线结构、Schiffman移相器和分支线定向耦合器；每个馈电网络中的馈电输入端口连接Wilkinson功分器的输入端口，Wilkinson功分器的第一输出端口依次连接慢波线结构、Schiffman移相器和分支线定向耦合器的第一输入端口；两个馈电网络通过交叉结构的四个端口连接在一起；交叉结构的第一端口和第三端口分别连接第一馈电网络中的分支线定向耦合器的第二输入端口和第二馈电网络中的分支线定向耦合器中的第二输入端口，交叉结构的第二端口和第四端口分别连接第一馈电网络中的Wilkinson功分器的第二输出端口和第二馈电网络中的Wilkinson功分器的第二输出端口；两个分支线定向耦合器中的四个输出端口为馈电输出端口。
2.一种天线系统，其特征在于，包括从下往上依次层叠的馈电网络层、第二介质基板层、金属地层、第一介质基板层和辐射层，以及垂直穿过所述馈电网络层、第二介质基板层、金属地层、第一介质基板层、辐射层且电连接馈电网络层和辐射层的金属探针，其中，所述馈电网络层如权1所述的馈电网络层；并且，两个分支线定向耦合器中的四个馈电输出端口，通过四根金属探针与辐射层电连接；
该辐射层包括四个尺寸一样的正方形金属贴片和一个“十”字型金属贴片；四个正方形金属贴片分别置于“十”字型金属贴片划分形成的四个象限内；每个正方形金属贴片的每边分别平行于“十”字型金属贴片的横臂和纵臂，且其与横臂和纵臂形成的缝隙的间距相等；“十”字型金属贴片的四臂长度小于正方形金属贴片的边长；四个金属探针在辐射层形成四个第一开孔；该四个第一开孔分别位于“十”字型金属贴片的四个顶端处；“十”字型金属贴片通过金属探针从馈电网络层获得能量，并通过耦合的方式将能量耦合到四个正方形金属贴片。
3.根据权利要求2所述的一种天线系统，其特征在于，该第一介质基板层和第二介质基板层的相对介电常数均为3.55；第一介质基板层的厚度为2mm，第二介质基板层的厚度为0.508mm。
4.根据权利要求3所述的一种天线系统，其特征在于，该金属探针为圆柱形，其直径为1.2mm。
5.根据权利要求4所述的一种天线系统，其特征在于，该Schiffman移相器是具有90°移相功能的移相器。
6.根据权利要求2~5任一项所述的一种天线系统，其特征在于，该天线系统的工作频率为2.45GHz；其对应的自由空间波长为λ= 122.4mm。
7.根据权利要求6所述的一种天线系统，其特征在于，该“十”字型金属贴片的四臂长度均为λ/4。
8.根据权利要求7所述的一种天线系统，其特征在于， 该Wilkinson功分器、慢波线结构、Schiffman移相器和分支线定向耦合器相互之间依次用50欧姆微带线连接。
9.如权利要求2~8任一项所述的一种天线系统产生四种极化方式的方法，其四种极化方式为：左旋圆极化、右旋圆极化、+45°线极化和-45°线极化，其方法分别为：
左旋圆极化：对两个馈电输入端口分别施加幅度为1相位为0°和幅度为0相位为0°的激励，四个馈电输出端口上的响应分别为幅度为1相位为0°、幅度为1相位为-90°、幅度为1相位为-180°和幅度为1相位为-270°；
右旋圆极化：对两个馈电输入端口分别施加幅度为0相位为0°和幅度为1相位为0°的激励，四个馈电输出端口上的响应分别为幅度为1相位为-270°、幅度为1相位为-180°、幅度为1相位为-90°、幅度为1相位为0°；
+45°线极化：对两个馈电输入端口分别施加幅度为1相位为0°和幅度为1相位为-90°的激励，四个馈电输出端口上的响应分别为幅度为1相位为0°、幅度为0相位为0°、幅度为1相位为-180°、幅度为0相位为0°；
-45°线极化：对两个馈电输入端口分别施加幅度为1相位为-90°和幅度为1相位为0°的激励，四个馈电输出端口上的响应分别为幅度为0相位为0°、幅度为1相位为-180°、幅度为0相位为0°、幅度为1相位为0°。
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