CN107221756B - 基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线，由采用支架支撑叠放方式的双层介质基板组成，其中上层介质基板包括印制于上表面的一对偶极子天线，印制于下表面的E型微带馈线，及从下表面E型馈线插入上表面偶极子天线的同轴馈电探针；下层介质基板包括印制于上表面的可调谐式人工磁导体反射板，焊接在上表面的变容二极管，及印制于下层介质基板下表面的金属地板；所述天线为一对沿y轴平行放置的偶极子天线组成，所述可调谐式人工磁导体反射板被分割为若干个大小相同且呈中心对称设置的极化扭转单元，每个极化扭转单元由对角切缝的正方形金属贴片和连接缝隙的四个变容二极管组成。通过适当调节变容二极管的电容值，本发明能实现天线的左旋圆极化、右旋圆极化、线极化的快速切换，以及线极化和圆极化的频率可调谐。

Description

基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线

技术领域

本发明涉及一种可重构天线，特别是一种基于可调谐式人工磁导体结构的多参数可重构偶极子天线。

背景技术

随着信息科技的日益发展，传统形式的天线在功能、性能方面均无法满足现代无线通信系统(如卫星通信，导航系统，WLAN等)的发展需求。能够用一个天线结构通过动态改变物理结构或尺寸，改变其关键的特性参数(如工作频率、辐射方向图、极化方式等)，以适应不同的电磁环境，来实现多个天线功能的可重构天线成为研究热点。

近年来，超材料因其独特的电磁特性也开始应用到可重构天线中。W.Yang等人提出一种具有极化扭转特性的人工磁导体结构，该结构通过引入偏心金属柱使人工磁导体的表面阻抗变得不平衡，从而具有极化扭转特性；接着，这种极化扭转人工磁导体结构被应用于偶极子天线中，提出了基于极化扭转人工磁导体的圆极化偶极子天线，通过改变偶极子天线的放置位置，实现了左旋圆极化、右旋圆极化和±45°线极化的快速切换，但这种机械方法不易灵活操作；因此，紧接着将该极化扭转人工磁导体结构应用于交叉偶极子天线中，提出了基于极化扭转人工磁导体的极化可重构偶极子天线，通过引入开关控制馈电网络，较灵活地实现了天线的多极化特性。然而，这些可重构天线，均通过控制偶极子天线来实现可重构，其极化扭转板中的偏心金属柱距离被固定，灵活度不高；此外，这些可重构技术只能实现单参数可重构，并不能实现多参数可重构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线，能通过加载变容二级管控制极化扭转板的状态，来灵活地实现天线的左旋圆极化、右旋圆极化、线极化的快速切换，以及线极化和圆极化的频率可调谐。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线，采用支架支撑叠放的双层介质板，其中包括一对偶极子天线、E型微带馈线、同轴馈电探针、变容管二极管、以及具有极化扭转特性的对角切缝人工磁导体反射板。一对偶极子天线印制在上层介质基板的上表面中心，E型微带馈线印制于上层介质基板的下表面，偶极子天线的同轴馈电探针从上层介质基板下表面的E型馈线插入上表面；具有极化扭转特性的对角切缝人工磁导体反射板印制于下层介质基板上表面，变容二极管焊接在切缝人工磁导体反射板的缝隙中用来控制极化特性的转换；所述偶极子天线为一对同轴顶馈天线，通过同轴探针和下层的E型微带馈线来馈电；所述具有极化扭转特性的对角切缝人工磁导体反射板被分割为若干个大小相同且呈中心对称设置的极化扭转单元，每个极化扭转单元由对角切缝的金属贴片和连接缝隙的变容二极管组成，其中，变容管共用一个相同的低信号，且低信号在金属贴片的中间处进行提供，而高信号在金属贴片的四角处分别进行提供。

采用上述天线，所述相邻的两个具有极化扭转特性的可调谐式人工磁导体单元之间设有窄型缝隙。

采用上述天线，变容二极管的电容值可调节。

采用上述天线，所述偶极子天线为同轴顶馈的一对偶极子天线，且偶极子天线中的E型微带馈线在偶极子天线的下层进行馈电，而同轴探针由下表面的E型微带馈线插入上表面偶极子天线中，采用顶馈方式提供信号。

采用上述的可重构天线，偶极子天线为一对偶极子，印制于上层介质基板表面中心，其臂长l₁为[0.1λ_g,0.75λ_g]，宽度l₂为[0.01λ_g,0.5λ_g]，其中λ_g为上层介质基板的介质有效波长。

采用上述的可重构天线，偶极子天线采用同轴顶馈方式，通过同轴探针[10]和E型微带馈线进行供电。

采用上述的微带天线，具有极化扭转特性的可调谐人工磁导体单元的长度W为[0.03λ,0.2λ]，窄型缝隙的宽度G为[0.001λ,0.015λ]，金属贴片的切缝深度dt为[0.001λ,0.20λ]，切缝宽度t为[0.001λ,0.05λ]，变容二极管的电容值为[0.01pF,100pF]。

采用上述的可重构天线，上层介质基板的介电常数ε_r为[2.2,10.2]，厚度H₁为[0.001λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。

采用上述的可重构天线，上层介质基板的介电常数ε_r为[2.2,10.2]，厚度H₂为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明提出的基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线，构造了一种新型的具有极化扭转特性的人工磁导体反射板，这种极化扭转板是在人工磁导体结构的对角加载可调电容，通过在两个对角线上加载不同的电容值，使结构表面阻抗呈现阻抗不平衡性，从而使部分入射波的极化方向发生改变，从而可实现极化扭转；与现有技术相比，首次将控制极化扭转反射板作为极化可重构的方法，实现天线的左旋圆极化、右旋圆极化、线极化的快速切换；(2)本发明提出的基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线，通过有规律地调谐二极管的电容值，可控制反射板的阻抗不平衡的程度，从而调谐其工作频段，分别在线极化和圆极化的状态下实现了频率可调谐；(3)本发明提出的基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线，与基于极化扭转人工磁导体的极化可重构偶极子天线相比，只需要调节变容二极管的电容值分布，就可以实现左旋圆极化、右旋圆极化、线极化的快速切换，以及线极化和圆极化的频率可调谐，这种控制方法具有更高的灵活度；(5)本发明提出的基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线，仍然保留了低剖面特性，整体结构只有0.06λ的厚度；(6)本发明提出的基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线，采用双层微波介质板，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线的三维图、单元及天线的结构图和侧视图，其中图(a)为三维图，图(b)为单元结构图，图(c)为天线结构图，图(d)为侧视图。

图2为本发明可调谐式人工磁导体极化扭转板的结构图，其中图(a)为可调谐式人工磁导体极化扭转板的三维图，图(b)为可调谐式人工磁导体单元的俯视图，图(c)为可调谐式人工磁导体单元的侧视图。

图3为基于可调谐式人工磁导体单元的不同电容分布下的反射系数Г_TM/TM幅度和Г_TM/TM相位图，图(a)为C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝0.45pF时，图(b)为C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝2.3pF时，图(c)为C₂＝C₄＝2.3pF而C₁＝C₃可调时。在这里，假设入射波为TM极化波，Г为该结构的反射系数，而Г_TM/TM则表示反射波中TM极化分量与入射波中TM极化分量的比值，用于衡量入射波被极化扭转的程度。对于普通AMC结构，Г_TM/TM幅度为0dB，表现反射波与入射波极化方向一致。

图4为基于图2在左旋圆极化状态下，即变容二极管电容值为C₁＝C₃＝0.5pF，C₂＝C₄＝1.3pF时的轴比和增益曲线以及轴比方向图，其中(a)轴比和增益曲线，(b)轴比方向图。

图5为基于图2在右旋圆极化状态下，即变容二极管电容值为C₁＝C₃＝1.3pF，C₂＝C₄＝0.5pF时的轴比和增益曲线以及轴比方向图，其中(a)轴比和增益曲线，(b)轴比方向图。

图6为基于图2在两种圆极化状态下的反射系数曲线。

图7为基于图2在线极化1状态下，即变容二极管电容值为C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝0.5pF时的反射系数曲线和增益曲线。

图8为基于图2在线极化2状态下，即变容二极管电容值为C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝1.3pF时的反射系数曲线和增益曲线。

图9为基于图2改变变容二极管电容值(C₁,C₂)时实现圆极化状态下的轴比的频率调谐曲线，其中，C₁＝C₃，C₂＝C₄。

具体实施方式

结合图1，一种基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线，采用支架12支撑叠放的双层介质基板组成，包括一对偶极子天线1、E型微带馈线3、同轴馈电探针3、金属地板6、具有极化扭转特性的对角切缝人工磁导体反射板4、变容二极管8。一对偶极子天线1印制于上层介质基板2上表面，同轴馈电探针3从上层介质基板2下表面E型微带馈线3插入到上表面偶极子天线1，E型微带馈线3印制于上层介质基板2下表面，金属地板印制于下层介质基板7下表面，具有极化扭转特性的对角切缝人工磁导体反射板4印制于下层介质基板7上表面，变容二极管8焊接在下层介质基板7上表面；所述偶极子天线1为同轴顶馈的一对偶极子结构，且通过E型微带馈线3和同轴探针10进行馈电；所述具有极化扭转特性的可调谐式人工磁导体反射板4被分割为若干个大小相同且呈中心对称设置的极化扭转人工磁导体单元5，每个具有极化扭转特性的人工磁导体单元5由对角切缝的金属贴片11和连接缝隙13的四个变容二极管8组成，其中，这四个变容管8共用一个相同的低信号，且低信号在金属贴片11的中间处进行提供，而高信号在金属贴片11的四角处分别进行提供。

所述偶极子天线为了得到对称的方向图，采用一对偶极子天线，其尺寸可以变化。

所述偶极子天线通过一个同轴探针和下层的E型微带馈线进行馈电。

所述具有极化扭转特性的对角切缝人工磁导体反射板由若干个相同的对角切缝人工磁导体周期排列形成，且呈中心对称。

所述对角切缝人工磁导体单元四角均被切缝，且切缝大小均保持一致。

所述相邻的两个可调谐人工磁导体单元之间设有窄型缝隙。

所述具有极化扭转特性的对角切缝人工磁导体单元中四个对角缝隙均由变容二极管连接，且二极管的电容值可以调节，值得注意的是，结构对角上的一对变容二极管电容值始终保持一致。

所述具有极化扭转特性的对角切缝人工磁导体单元，通过改变二极管的电容值，从而调节整个结构的表面阻抗分布，以此控制人工磁导体反射板的各个极化扭转状态的切换。

结合图2，所述相邻的两个具有极化扭转特性的对角切缝人工磁导体单元5之间设有窄型缝隙9。

所述上层介质基板2介电常数ε_r为[2.2,10.2]，厚度H₁为[0.001λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。

所述下层介质基板7的介电常数ε_r为[2.2,10.2]，厚度H₂为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。

所述的一对偶极子天线1的臂长l₁为[0.1λ_g,0.75λ_g]，宽度l₂为[0.01λ_g,0.5λ_g]，其中λ_g为上层介质基板2的介质有效波长。

所述具有极化扭转特性的可调谐人工磁导体单元5的长度W为[0.03λ,0.20λ]，窄型缝隙9的宽度G为[0.001λ,0.015λ]，金属贴片11的四角大小dt为[0.001λ,0.20λ]，切缝13大小t为[0.001λ,0.05λ]，变容二极管8的电容值为[0.01pF,100pF]。

实施例一

结合图1，所述具有极化扭转特性的可调谐式人工磁导体反射板4被分割为若干个大小相同且呈中心对称设置的极化扭转人工磁导体单元5，每个具有极化扭转特性的人工磁导体单元5由对角切缝的金属贴片11和连接缝隙13的四个变容二极管8组成，其中，这四个变容管8共用一个相同的低信号，且低信号在金属贴片11的中间处进行提供，而高信号在金属贴片11的四角处分别进行提供。通过调节变容二极管的电容值来改变表面阻抗分布，以此控制人工磁导体反射板的各个极化扭转状态的切换。

上层介质基板2介电常数ε_r为[2.2,10.2]，厚度H₁为[0.001λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。下层介质基板7的介电常数ε_r为[2.2,10.2]，厚度H₂为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。一对偶极子天线1的臂长l₁为[0.1λ_g,0.75λ_g]，宽度l₂为[0.01λ_g,0.5λ_g]，其中λ_g为上层介质基板2的介质有效波长。具有极化扭转特性的可调谐人工磁导体单元5的长度W为[0.03λ,0.20λ]，窄型缝隙9的宽度G为[0.001λ,0.015λ]，金属贴片11的四角大小dt为[0.001λ,0.20λ]，切缝13大小t为[0.001λ,0.05λ]，变容二极管8的电容值为[0.01pF,100pF]。

实验中，取偶极子天线1的长l₁为31.5mm，宽l₂为4mm；具有极化扭转特性的切缝人工磁导体单元5中金属贴片的长度W为18mm，窄型缝隙9的宽度G为0.2mm，金属贴片11的四角大小dt为8mm，切缝13大小t为1.2mm；变容二极管8选用skyworks公司的SMV123x系列射频变容二极管中的SMV1231变容二极管芯片，该芯片采用SC-79封装形式，变化范围为[0.45pF,2.4pF]；上层介质基板2的材料为Rogers RT/Duroid 5880，介电常数ε_r为2.2，介质损耗角为0.0009，厚度H₁为0.762mm，约为0.006λ₀，下层介质基板7的材料为Rogers RO4350，介电常数ε_r为3.66，介质损耗角为0.004，厚度H₂为5mm，约为0.04λ₀(其中λ₀为2.45GHz处的自由空间波长)。

具有极化扭转特性的切缝人工磁导体反射板4取6×6周期排布。

结合图3，调节变容二极管8的电容值，改变结构等效电容，实现四种工作状态；结合图(a)，当四个对角电容值都为最小值0.45pF时，变容二极管类似于高电抗，则此时金属贴片类似于断开状态，即四个对角都有缝隙，此时结构表面阻抗平衡对称分布，无极化扭转特性，为普通的人工磁导体单元，从图中可以发现，反射系数Г_TM/TM幅度接近0dB，表示入射波与反射波极化方向一致，不存在极化扭转。同相位反射曲线也仅仅是普通AMC的同相位反射曲线；结合图(b)，当四个对角电容值都为最大值2.3pF时，变容二极管类似于低电抗，则此时金属贴片类似于连接状态，即四角无切缝，此时结构表面阻抗分布平衡，无极化扭转特性，为普通的人工磁导体单元，与图(a)相比，同相位点的频率向低频移动，这是因为当电容值较小为开路状态时，整体结构尺寸要小于断开状态时的尺寸；结合图(c)，当C₂＝C₄＝2.3pF而C₁＝C₃可调时，类似于二极管C₂和C₄处于低电抗，即类似于C₂和C₄所在处的对角处于连接状态，此时，调节C₁和C₃的电容值，相当于调节极化扭转人工磁导体扭转板在C₁和C₃所在对角线上的表面阻抗，当C₁和C₂的电容值不同时，该结构会表现出不同的极化扭转状态，从图中可以发现当C₁＝C₃＝0.45pF时，Г_TM/TM幅度小于-10dB的极化扭转频带为2.7GHz～3.7GHz，相对带宽为31.2％。在2.8GHz附近，Г_TE/TM相位曲线为-90度，刚好在极化扭转频带内，频率2.8GHz左右的平面入射波垂直入射该结构，其反射波不但发生极化扭转，相位差也相差-90度，入射波和反射波正交极化同时相位相差-90度，两者的综合场便为左旋圆极化波。随着C₁和C₃电容值的增大，极化扭转频带逐渐变窄。当C₁＝C₃＝0.55pF时，极化转频带为2.7GHz～3.5GHz，相对带宽为25.8％，其Г_TM/TM相位曲线为-90度的频点几乎不变；当C₁＝C₃＝0.65pF时，极化扭转频带为2.8GHz～3.3GHz，相对带宽为16.4％。因此，通过调节C₁和C₃的电容值，可以实现不同的极化扭转频带。此外，由于该人工磁导体单元[5]为对称结构，所以当C₁＝C₃＝2.3pF而C₂＝C₄可调时，与图(c)类似，此处不再赘述，唯一不同的是，Г_TE/TM相位曲线为+90度，因此形成的综合场为右旋圆极化波。

结合图4，基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线在左旋圆极化状态下，即变容二极管电容值为C₁＝C₃＝0.5pF，C₂＝C₄＝1.3pF时可以得到，轴比低于3dB的工作频带为2.41GHz～2.66GHz，相对带宽为9.73％，最大增益为8.7dBi；

结合图5，基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线在右旋圆极化状态下，即变容二极管电容值为C₁＝C₃＝1.3pF，C₂＝C₄＝0.5pF时可以得到，轴比低于3dB的工作频带为2.40GHz～2.66GHz，相对带宽为9.99％，最大增益为8.79dBi；

结合图6，基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线分别在左/右圆极化两种状态下，反射系数低于-10dB的工作频带分别为2.23GHz～2.71GHz(19.71％)和2.22GHz～2.71GHz(19.83％)。

结合图7，基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线在线极化状态I下，即变容二极管电容值为C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝0.5pF时可以得到，反射系数低于-10dB的工作频带为2.43GHz～2.80GHz，相对带宽为14.20％，最大增益为9.50dBi；

结合图8，基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线在线极化状态II下，即变容二极管电容值为C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝1.3pF时可以得到，反射系数低于-10dB的工作频带为2.23GHz～2.65GHz，相对带宽为17.34％，最大增益为8.76dBi；

结合图9，由基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线在调节变容二极管电容值(C₁,C₂)时，可以发现实现圆极化状态下的频率可调谐，其中C₁＝C₃，C₂＝C₄。

由上可知，本发明的基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线能实现天线的左旋圆极化、右旋圆极化、线极化的快速切换，以及线极化和圆极化的频率可调谐。

表1为本发明基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线在四种工作状态下的性能总结。

表2为本发明基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线在圆极化状态下的频率可调谐的性能总结。

结合表1，与现有技术相比，该基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线可实现左旋圆极化、右旋圆极化、线极化四种状态，且每种状态下，性能都较好，此外，可以发现，线极化可以实现频率可调谐。

结合表2，与现有技术相比，该基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线可实现圆极化的频率可调谐。

表1

表2

C<sub>1</sub>＝C<sub>3</sub>	C<sub>2</sub>＝C<sub>4</sub>	轴比带宽
			0.5pF	1.3pF	2.41-2.66GHz(9.73％)
0.6pF	1.5pF	2.40-2.64GHz(9.62％)
			0.7pF	1.8pF	2.36-2.62GHz(10.54％)
0.8pF	2.2pF	2.29-2.55GHz(10.86％)
			0.9pF	2.5pF	2.23-2.47GHz(10.18％)

Claims (8)

1.一种基于可调谐式人工磁导体的多参数可重构偶极子天线，采用支架[12]支撑叠放的双层介质基板组成，包括：

印制于上层介质基板[2]上表面的一对偶极子天线[1]，

印制于上层介质基板[2]下表面的E型微带馈线[3]，

从上层介质基板[2]下表面E型微带馈线[3]插入上表面偶极子天线[1]的同轴馈电探针[10]，

印制于下层介质基板[7]下表面的金属地板[6]，

印制于下层介质基板[7]上表面的可调谐式人工磁导体反射板[4]，其特征在于，

所述可调谐式人工磁导体反射板[4]被分割为若干个大小相同且呈中心对称设置的极化扭转人工磁导体单元[5]，

每个具有极化扭转特性的人工磁导体单元[5]由对角切缝的金属贴片[11]和连接每一缝隙[13]的变容二极管[8]组成，

四个变容二极 管[8]共用一个金属贴片[11]的中间处提供的低信号，金属贴片[11]四角处分别对每一变容二极 管[8]提供高信号。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述相邻的两个具有极化扭转特性的可调谐式人工磁导体单元[5]之间设有窄型缝隙[9]。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，变容二极管[8]的电容值可调节。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述偶极子天线[1]为同轴顶馈的一对偶极子天线，且偶极子天线[1]中的E型微带馈线[3]在偶极子天线[1]的下层进行馈电，而同轴探针[10]由下表面的E型微带馈线[3]插入上表面偶极子天线[1]中，采用顶馈方式提供信号。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上层介质基板[2]介电常数ε_r为[2,10.2]，厚度H₁为[0.001λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，下层介质基板[7]的介电常数ε_r为[2,10.2]，厚度H₂为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。

7.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，具有极化扭转特性的可调谐人工磁导体单元[5]的长度W为[0.03λ,0.20λ]，窄型缝隙[9]的宽度G为[0.001λ,0.015λ]，被切缝的金属贴片[11]的四角大小dt为[0.001λ,0.20λ]，切缝[13]的宽度t为[0.001λ,0.05λ]，变容二极管[8]的电容值C为[0.01pF,100pF]。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，偶极子天线[1]臂长l₁为[0.1λ_g,0.75λ_g]，宽度l₂为[0.01λ_g,0.5λ_g]，其中λ_g为上层介质基板[2]的介质有效波长。

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