CN107026318B - 一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线 - Google Patents

一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，该天线寄生辐射贴片单元(1、2、3)和馈线段(8A、8B、8C)采用覆铜技术制作在介质板(7)的一面板上，介质板(7)的另一面板上采用覆铜技术制作有接地板(9)。寄生辐射贴片单元(1、2、3)与馈线段(8A、8B、8C)之间连接各自的二极管开关。所述寄生辐射贴片单元(1、2、3)为经过2次～5次Koch分形后、且切除了底端顶角的结构。本发明天线通过控制三个二极管开关的通断控制不同的寄生贴片参与能量辐射，改变表面电流分布，从而得到不同的辐射方向图。且能实现H面方向图360度全覆盖，且能在双频段范围内工作。

Description

一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线
技术领域
本发明涉及一种贴片天线，更特别地说，是指一种基于分形贴片的方向图可重构天线。
背景技术
因为可重构天线能根据人们的需求改变天线结构，实现不同的功能，在一个天线上实现多工作模式，不仅节省了天线的制造成本，而且节约了空间，因此是具有非常巨大潜力的新型研究领域。而因为分形天线的自相似性和空间填充性的特点，使分形天线也具有很好的应用前景。
微带天线是一维平面结构，体积小，重量轻，能与载体表面共形，易于与有源电路集成为一个统一组件，因此可以利用印刷电路大规模生产，且具有加工简便、成本低的优点。现有的可重构天线大多为微带贴片天线，但是存在方向图模式少，空间覆盖范围小的问题，且微带天线的特性又使可重构微带天线存在工作频段较窄的问题，现有的可重构微带贴片天线的工作频段大多不超过1GHz。基于分形技术的可重构微带天线的研究成果较少，通过调研，方向图模式大多为两个，且空间覆盖范围较小，仅能实现不到180度的覆盖范围。
发明内容
本发明设计了一种方向图可重构天线，属于天线技术领域，涉及微带贴片天线。此方向图可重构天线是基于天线的分形技术和PIN二极管开关实现的。天线结构包括采用覆铜技术制作在介质板上的三个寄生辐射贴片单元和三个矩形馈线段；三个矩形馈线段的接合处为馈电端，且三个矩形馈线段以馈电端为圆心呈120度分布设置。所述寄生辐射贴片单元采用二阶koch分形结构。所述介质板形状由一个三角形基板截去三个顶角得到，使之与寄生辐射贴片单元成对称结构。本发明天线采用同轴背馈的形式，馈电点位于整体结构的几何中心。在本发明中，通过控制三个PIN二极管开关的通断控制不同的寄生贴片参与能量辐射，改变表面电流分布，从而得到不同的辐射方向图。本发明能实现H面方向图360度全覆盖，且能在双频段范围内工作。
本发明设计了一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，该天线包括有寄生辐射贴片单元(1、2、3)、馈线段(8A、8B、8C)、馈电端(8)、介质板(7)和接地板(9)；寄生辐射贴片单元(1、2、3)和馈线段(8A、8B、8C)采用覆铜技术制作在介质板(7)的一面板上，介质板(7)的另一面板上采用覆铜技术制作有接地板(9)；该天线的底端为平滑端面；
A馈线段(8A)、B馈线段(8B)与C馈线段(8C)的一端重合，重合点为馈电端(8)的端点；A馈线段(8A)、B馈线段(8B)与C馈线段(8C)的另一端以馈电端(8)的端点呈120度设置；并且
A馈线段(8A)的另一端通过第一PIN二极管开关(4)的通断来实现A馈线段(8A)的另一端与A寄生辐射贴片单元(1)的通断；A寄生辐射贴片单元(1)的A连接边(1A)与第一PIN二极管开关(4)焊接；
B馈线段(8B)的另一端通过第二PIN二极管开关(5)的通断来实现B馈线段(8B)的另一端与B寄生辐射贴片单元(2)的通断；B寄生辐射贴片单元(2)的B连接边(2A)与第二PIN二极管开关(5)焊接；
C馈线段(8C)的另一端通过第三PIN二极管开关(6)的通断来实现C馈线段(8C)的另一端与C寄生辐射贴片单元(3)的通断。C寄生辐射贴片单元(3)的C连接边(3A)与第三PIN二极管开关(6)焊接。
所述介质板(7)和接地板(9)为六边形；接地板(9)完全覆盖介质板(7)，接地板(9)的高度设置保证天线工作频段为1.6GHz～2.2GHz和2.6GHz～4.0GHz；
所述寄生辐射贴片单元(1、2、3)为经过2次～5次Koch分形后、且切除了底端顶角的结构。
本发明设计的方向图可重构天线的优点在于：
①本发明设计的方向图可重构微带贴片天线结构运用了PIN二极管的通断控制不同的寄生辐射贴片参与能量辐射，能够工作在三种工作模式下。本发明天线与现有的微带贴片天线相比具有的优点为：体积小；增益较高；每种工作模式都为双端射，能够实现H面的360度全向覆盖；并且展宽了工作频带。
②本发明设计的方向图可重构微带贴片天线运用分形贴片技术，实现了天线的小型化，相比工作于同频段的普通贴片天线，天线尺寸缩减19.36％。
附图说明
图1是本发明基于分形贴片的方向图可重构天线的结构图。
图1A是本发明基于分形贴片的方向图可重构天线的背部结构图。
图1B是本发明基于分形贴片的方向图可重构天线的正视面结构图。
图1C是本发明基于分形贴片的方向图可重构天线的尺寸关系示意图。
图2是经2次Koch分形得到的本发明寄生辐射贴片单元结构图。
图2A是经2次Koch分形得到的本发明寄生辐射贴片单元的正视面结构图。
图2B是经2次Koch分形得到的本发明寄生辐射贴片单元的另一视角结构图。
图3是经3次Koch分形得到的本发明寄生辐射贴片单元的正视面结构图。
图4是经4次Koch分形得到的本发明寄生辐射贴片单元的正视面结构图。
图5是实施例1设计天线的S11曲线图。
图6A是实施例1设计天线在5.25GHz谐振频点处的第一种模式的方向图。
图6B是实施例1设计天线在5.775GHz谐振频点处的第一种模式的方向图。
图7A是实施例1设计天线在5.25GHz谐振频点处的第二种模式的方向图。
图7B是实施例1设计天线在5.775GHz谐振频点处的第二种模式的方向图。
图8A是实施例1设计天线在5.25GHz谐振频点处的第三种模式的方向图。
图8B是实施例1设计天线在5.775GHz谐振频点处的第三种模式的方向图。
1.A寄生辐射贴片单元 1A.A连接边 1-11.一级分形枝节A
1-12.一级分形枝节B 1-21.二级分形枝节A 1-22.二级分形枝节B
1-23.二级分形枝节C 1-24.二级分形枝节D 1-25.二级分形枝节E
1-26.二级分形枝节F 1-27.二级分形枝节G 1-28.二级分形枝节H
2.B寄生辐射贴片单元 2A.B连接边 3.C寄生辐射贴片单元
3A.C连接边 4.第一PIN二极管开关 5.第二PIN二极管开关
6.第三PIN二极管开关 7.介质板 7A.第一切边
7B.第二切边 7C.第三切边 8.馈源端
8A.A馈线段 8B.B馈线段 8C.C馈线段
9.接地板
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图1A、图1B所示，本发明设计了一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，该方向图可重构天线包括有三个寄生辐射贴片单元、三个馈线段、馈电端8、介质板7和接地板9；三个寄生辐射贴片单元和三个馈线段采用覆铜技术制作在介质板7的一面板上，介质板7的另一面板上采用覆铜技术制作有接地板9。如图1A所示方向图可重构天线的底端为平滑端面。
为了使寄生辐射贴片单元和馈线段以馈电端8呈120度分布，故设置了结构相同的三个寄生辐射贴片单元和结构相同的三个馈线段，即：A寄生辐射贴片单元1、B寄生辐射贴片单元2和C寄生辐射贴片单元3；A馈线段8A、B馈线段8B和C馈线段8C。
如图1B所示，A馈线段8A、B馈线段8B与C馈线段8C的一端重合，重合点为馈电端8的端点，记为O点(即馈电点)；A馈线段8A、B馈线段8B与C馈线段8C的另一端以馈电点O为圆心呈120度设置；即：
A馈线段8A的另一端通过第一PIN二极管开关4的通断来实现A馈线段8A的另一端与A寄生辐射贴片单元1的通断；A寄生辐射贴片单元1的A连接边1A与第一PIN二极管开关4焊接；
B馈线段8B的另一端通过第二PIN二极管开关5的通断来实现B馈线段8B的另一端与B寄生辐射贴片单元2的通断；B寄生辐射贴片单元2的B连接边2A与第二PIN二极管开关5焊接；
C馈线段8C的另一端通过第三PIN二极管开关6的通断来实现C馈线段8C的另一端与C寄生辐射贴片单元3的通断。C寄生辐射贴片单元3的C连接边3A与第三PIN二极管开关6焊接。
在本发明中，馈线段设计为矩形构型，是为了最大限度的减小圆周分布的三个寄生辐射贴片单元(1、2、3)间的耦合效应，使其中一个寄生辐射贴片单元工作时受到的其余两个辐射单元的耦合效应最小。通过调整矩形馈线段的长宽比，可实现最优的方向图可重构效果。
介质板7
在本发明中，参见图1、图1A、图1B所示，介质板7为六边形结构体，更特别的是由一个等边三角形截去三个顶角而得到，使第一切边7A与A寄生辐射贴片单元1的A连接边1A平行，使第二切边7B与B寄生辐射贴片单元2的B连接边2A平行，使第三切边7C与C寄生辐射贴片单元3的C连接边3A平行。
在本发明中，介质板7采用截去顶角的等边三角形结构，是为了使三个寄生辐射贴片单元(1、2、3)到介质板7的切边距离是相等的，从而使辐射方向图的主瓣不裂瓣。
介质板7材质选用的是介电常数为4.4的环氧树脂。为了保证S11参数在工作频率范围内处于－10dB以下，则介质板7厚度设置为3毫米。
在本发明中，在同一结构体的基于Koch分形贴片的方向图可重构天线中三个寄生辐射贴片单元和三个馈线段是相同结构的。
参见图1、图1B、图2、图2A、图2B所示，寄生辐射贴片单元为经过2次Koch分形后、且切除了底端顶角的结构。所述A寄生辐射贴片单元1的底端为A连接边1A，该A连接边1A与A馈线段8A之间设置有第一PIN二极管开关4。在本发明中，通过第一PIN二极管开关4的通断来实现A馈线段8A的另一端与A寄生辐射贴片单元1的通断。
如图2A所示，2次Koch分形后的A寄生辐射贴片单元1的结构为，存在有2个一级分形枝节和8个二级分形枝节；且一级分形枝节A 1-11与一级分形枝节B 1-12对称设置；且二级分形枝节A 1-21与二级分形枝节B 1-22对称设置；且二级分形枝节C 1-23与二级分形枝节D 1-24对称设置在所述一级分形枝节A 1-11上；且二级分形枝节E 1-25与二级分形枝节F 1-26对称设置在所述一级分形枝节B 1-12上；且二级分形枝节G 1-27与二级分形枝节H1-28对称设置。
在本发明中，采用Koch分形去除底端顶角是为了给寄生辐射贴片单元与馈线之间的PIN二极管开关连接，提供几何结构，同时也是为了使馈源端的输入信号能够通过馈线和开关最大程度地耦合到寄生辐射贴片单元上，从而使天线方向图能够重构，且增益提高。
参见图3所示，A寄生辐射贴片单元1为经3次Koch分形且切除了底端顶角的结构。
参见图4所示，A寄生辐射贴片单元1为经4次Koch分形且切除了底端顶角的结构。
在本发明中，寄生辐射贴片单元为经2～5次Koch分形、且切除了底端顶角的结构。
2次Koch分形后的寄生辐射贴片单元(1、2、3)的结构为，存在有2个一级分形枝节和8个二级分形枝节；且一级分形枝节A(1-11)与一级分形枝节B(1-12)对称设置；且二级分形枝节A(1-21)与二级分形枝节B(1-22)对称设置；且二级分形枝节C(1-23)与二级分形枝节D(1-24)对称设置在所述一级分形枝节A(1-11)上；且二级分形枝节E(1-25)与二级分形枝节F(1-26)对称设置在所述一级分形枝节B(1-12)上；且二级分形枝节G(1-27)与二级分形枝节H(1-28)对称设置。
3次Koch分形后的寄生辐射贴片单元(1、2、3)的结构为，存在有2个一级分形枝节、8个二级分形枝节和32个三级分形枝节。
4次Koch分形后的寄生辐射贴片单元(1、2、3)的结构为，存在有2个一级分形枝节、8个二级分形枝节、32个三级分形枝节和128个四级分形枝节。
5次Koch分形后的寄生辐射贴片单元(1、2、3)的结构为，存在有2个一级分形枝节、8个二级分形枝节、32个三级分形枝节、128个四级分形枝节和512个五级分形枝节。
本发明基于Koch分形贴片的方向图可重构天线的尺寸设计：
如图1C所示，介质板7的切边长记为A，介质板7的切角边长记为B；寄生辐射贴片单元的顶角与介质板7的切边距离记为h，寄生辐射贴片单元的连接边的边长记为C；馈线段的长记为a，馈线段的宽记为b。为了使本发明设计的天线具有方向图可重构且S11参数在工作频段内达到－10dB以下，且在设置好所述C尺寸下，其尺寸关系为：A＝2.4C～2.5C，B≈C，h≈0.2C，a＝0.5C～0.6C，b≈0.3a。
本发明设计的基于Koch分形贴片的方向图可重构天线是通过一个PIN二极管开关连通，另外两个PIN二极管开关断开来进行工作的。
第一种天线工作模式：
在本发明中，第一种天线工作模式是指第一PIN二极管开关4连通，第二PIN二极管开关5和第三PIN二极管开关6断开。所述第一PIN二极管开关4连通使得A馈线段8A与A寄生辐射贴片单元1导通，基于微带贴片天线的电磁耦合原理，将从B寄生辐射贴片单元2和C寄生辐射贴片单元3的辐射末端感应出相对A寄生辐射贴片单元1末端较强的电场，从而使天线的辐射方向图偏向所述B寄生辐射贴片单元2和C寄生辐射贴片单元3对应的空间方向。
第二种天线工作模式：
在本发明中，第二种天线工作模式是指第二PIN二极管开关5连通，第一PIN二极管开关4和第三PIN二极管开关6断开。所述第二PIN二极管开关5连通使得B馈线段8B与B寄生辐射贴片单元2导通，基于微带贴片天线的电磁耦合原理，将从A寄生辐射贴片单元1和C寄生辐射贴片单元3的辐射末端感应出相对B寄生辐射贴片单元2末端较强的电场，从而使天线的辐射方向图偏向所述A寄生辐射贴片单元1和C寄生辐射贴片单元3对应的空间方向。
第三种天线工作模式：
在本发明中，第一种天线工作模式是指第三PIN二极管开关6连通，第一PIN二极管开关4和第二PIN二极管开关5断开。所述第三PIN二极管开关6连通使得C馈线段8C与C寄生辐射贴片单元3导通，基于微带贴片天线的电磁耦合原理，将从A寄生辐射贴片单元1和B寄生辐射贴片单元2的辐射末端感应出相对C寄生辐射贴片单元3末端较强的电场，从而使天线的辐射方向图偏向所述A寄生辐射贴片单元1和B寄生辐射贴片单元2对应的空间方向。
实施例1
确定相关参数为：介质板厚度为2mm，所用材质为FR4环氧玻璃纤维板，相对介电常数为4.4，正切损耗为0.02。截去顶角之前的介质基片为三角形，边长为30mm，截去的三角形边长为14.09mm。主辐射贴片中每个矩形的宽为0.5mm，长为1.455mm。每个寄生辐射贴片的底边为4mm，即一阶koch形为边长4mm的等边三角形，二阶Koch则在此基础上由等边三角形的两边分别延展出边长为4/3mm的等边三角形。寄生贴片与主辐射贴片相距0.5mm，即0.5mm×0.5mm为留给PIN开关的尺寸。与金属接地板相连的同轴馈线外导体半径为0.6mm，穿过介质基片与辐射贴片相连的同轴线内导体半径为0.3mm。
在确定上述相关参数前提下，经电磁仿真，对该天线的工作状态作进一步说明：
工作频段：5.15～5.41GHz和5.58～6.22GHz，谐振频点分别为5.25GHz和5.775GHz，S11参数分别为－15.36dB和－25.67dB(如图5所示)。因为本发明主要研究5.15～5.35GHz和5.725～5.825GHz两个频段，因此分别设置5.25GHz和5.775GHz两个频点为工作频点，做天线方向图来说明本发明设计天线的方向图可重构性。
在第一种天线工作模式下，且在XOY平面。设置工作频点为5.25GHz时，半功率波束宽度为17.8度～106.0度，253.3度～342.3度，则天线方向图如图6A所示；设置工作频点为5.775GHz时，半功率波束宽度为53.2度～128.7度，231.8度～305.9度，天线方向图如图6B所示。
在第二种天线工作模式下，且在XOY平面。设置工作频点为5.25GHz时，半功率波束宽度为14.8度～101.5度，138.6度～225.2度，则天线方向图如图7A所示；设置工作频点为5.775GHz时，半功率波束宽度为172.5度～246.7度，－9度～65.6度，天线方向图如图7B所示。
在第三种天线工作模式下，且在XOY平面。设置工作频点为5.25GHz时，半功率波束宽度为127.5度～218.8度，262.1度～353.1度，则天线方向图如图8A所示；设置工作频点为5.775GHz时，半功率波束宽度为111.5度～186.3度，－67.5度～8.6度，天线方向图如图8B所示。
天线增益：设置工作频点为5.25GHz时，天线最高增益为4.41dB；设置工作频点为5.775GHz时，天线最高增益为5.07dB。
本发明是一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，所要解决的是如何在双频段实现微带贴片天线的方向图和重构性能，并且实现微带贴片天线的小型化的技术问题，该微带贴片天线应用PIN二极管实现方向图可重构，用Koch分形结构实现天线的小型化及双频段的技术手段，从而通过控制三个PIN二极管开关的通断控制不同的寄生贴片参与能量辐射，改变表面电流分布，得到不同的辐射方向图。并能实现H面方向图360度全覆盖，且能在双频段范围内工作的技术效果。

Claims (8)

1.一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，其特征在于：该天线包括有寄生辐射贴片单元(1、2、3)、馈线段(8A、8B、8C)、馈电端(8)、介质板(7)和接地板(9)；寄生辐射贴片单元(1、2、3)和馈线段(8A、8B、8C)采用覆铜技术制作在介质板(7)的一面板上，介质板(7)的另一面板上采用覆铜技术制作有接地板(9)；该天线的底端为平滑端面；
A馈线段(8A)、B馈线段(8B)与C馈线段(8C)的一端重合，重合点为馈电端(8)的端点；A馈线段(8A)、B馈线段(8B)与C馈线段(8C)的另一端以馈电端(8)的端点呈120度设置；并且
A馈线段(8A)的另一端通过第一PIN二极管开关(4)的通断来实现A馈线段(8A)的另一端与A寄生辐射贴片单元(1)的通断；A寄生辐射贴片单元(1)的A连接边(1A)与第一PIN二极管开关(4)焊接；
B馈线段(8B)的另一端通过第二PIN二极管开关(5)的通断来实现B馈线段(8B)的另一端与B寄生辐射贴片单元(2)的通断；B寄生辐射贴片单元(2)的B连接边(2A)与第二PIN二极管开关(5)焊接；
C馈线段(8C)的另一端通过第三PIN二极管开关(6)的通断来实现C馈线段(8C)的另一端与C寄生辐射贴片单元(3)的通断；C寄生辐射贴片单元(3)的C连接边(3A)与第三PIN二极管开关(6)焊接；
所述介质板(7)和接地板(9)为六边形；接地板(9)完全覆盖介质板(7)，接地板(9)的高度设置保证天线工作频段为1.6GHz～2.2GHz和2.6GHz～4.0GHz；
所述寄生辐射贴片单元(1、2、3)为经过2次～5次Koch分形后、且切除了底端顶角的结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，其特征在于：在同一结构体的基于Koch分形贴片的方向图可重构天线中三个寄生辐射贴片单元和三个馈线段是相同结构的。
3.根据权利要求1所述的一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，其特征在于：所述基于Koch分形贴片的方向图可重构天线是通过一个PIN二极管开关连通，另外两个PIN二极管开关断开来进行工作的。
4.根据权利要求1所述的一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，其特征在于：所述方向图可重构天线具有方向图可重构且S11参数在工作频段内达到－10dB以下，且在设置好寄生辐射贴片单元的连接边的边长C尺寸下，则尺寸关系为：A＝2.4C～2.5C，B≈C，h≈0.2C，a＝0.5C～0.6C，b≈0.3a；介质板(7)的切边长记为A，介质板(7)的切角边长记为B；寄生辐射贴片单元的顶角与介质板(7)的切边距离记为h，寄生辐射贴片单元的连接边的边长记为C；馈线段的长记为a，馈线段的宽记为b。
5.根据权利要求1所述的一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，其特征在于：2次Koch分形后的寄生辐射贴片单元(1、2、3)的结构为，存在有2个一级分形枝节和8个二级分形枝节；且一级分形枝节A(1-11)与一级分形枝节B(1-12)对称设置；且二级分形枝节A(1-21)与二级分形枝节B(1-22)对称设置；且二级分形枝节C(1-23)与二级分形枝节D(1-24)对称设置在所述一级分形枝节A(1-11)上；且二级分形枝节E(1-25)与二级分形枝节F(1-26)对称设置在所述一级分形枝节B(1-12)上；且二级分形枝节G(1-27)与二级分形枝节H(1-28)对称设置。
6.根据权利要求1所述的一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，其特征在于：3次Koch分形后的寄生辐射贴片单元(1、2、3)的结构为，存在有2个一级分形枝节、8个二级分形枝节和32个三级分形枝节。
7.根据权利要求1所述的一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，其特征在于：4次Koch分形后的寄生辐射贴片单元(1、2、3)的结构为，存在有2个一级分形枝节、8个二级分形枝节、32个三级分形枝节和128个四级分形枝节。
8.根据权利要求1所述的一种基于Koch分形贴片的方向图可重构天线，其特征在于：5次Koch分形后的寄生辐射贴片单元(1、2、3)的结构为，存在有2个一级分形枝节、8个二级分形枝节、32个三级分形枝节、128个四级分形枝节和512个五级分形枝节。
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