CN107546484A - 一种可重构天线及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可重构天线及制作方法，主要解决现有技术的可重构天线调谐范围小、可重构性单一、损耗大的问题。通过采用以下技术方案：包括至下而上设置的源天线层，金属环结构层和金属切角结构层，所述源天线层采用槽缝微带天线结构，包括具有矩形的耦合槽缝的地板和具有矩形金属辐射贴片的介质板；所述金属环结构层包括沿X轴与Y轴周期排列的矩形金属环单元；所述金属切角结构层包括沿X轴与Y轴周期排列的方形金属切角单元；所述金属环结构层顺时针旋转与所述X轴形成的夹角为θ1，所述金属切角结构层顺时针旋转与所述X轴形成的夹角为θ2；上述方法较好的解决了该问题，能够用于智能通信系统。

Description

一种可重构天线及其制作方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及到一种涉及极化和频率的可重构天线。

背景技术

近年来，极化可重构天线由于能增加独立的收发信道而不增加天线体积，尤其适用于体积受限的移动终端。同时，无线电信号的多径衰落效应对许多无线通信系统的通信质量造成严重影响，利用极化可重构天线不仅可以消除多径衰落效应，还可以增加频率复用，所以极化可重构天线已成为可重构天线研究的一个热点。通常来说，极化可重构天线大多是通过电子调谐技术来实现的，通过增加低频偏压，控制电子器件偏压，如PIN二极管、变容二极管、MEMS等，从而实现天线的极化重构，这种极化可重构一般不能进行频率可重构。电子器件具有快速调谐的优势，但由于它们的使用，也使得天线体积增大，而且费用昂贵、加工难度大。此外，电子元器件的性能及所加载的直流电路也将会直接对天线性能产生影响，造成较大能量的损耗。再者，这类通过电路控制的极化可重构天线轴比带宽一般相对较窄，通常不足5％，因此，电子调谐技术实现的极化可重构存在调谐范围小、可重构性单一、损耗大的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的调谐范围小、可重构性单一、损耗大的技术问题，提供一种新的可重构天线，该天线能同时实现频率可重构与极化可重构，具有较大的调谐范围及良好的可重构性能，同时还具有尺寸小、低损耗的技术特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种可重构天线，包括至下而上设置的源天线层，超表面的金属环结构层和超表面的金属切角结构层，所述源天线层采用槽缝微带天线结构，包括具有矩形的耦合槽缝的地板和具有矩形金属辐射贴片的介质板；所述超表面的金属环结构层包括沿水平轴与竖直轴周期排列的矩形金属环单元；所述超表面的金属切角结构层包括沿水平方向与竖直方向周期排列的方形金属切角单元。

上述方案中，为优化，进一步地，所述超表面的金属环结构层顺时针旋转与水平方向形成的夹角为θ1，所述超表面的金属切角结构层顺时针旋转与水平方向形成的夹角为θ2。

进一步地：所述源天线层，所述超表面的金属环结构层和所述超表面的金属切角结构层为半径相同以及厚度相同的圆形结构。

进一步地，所述源天线层，所述超表面的金属环结构层和所述超表面的金属切角结构层的圆心在同一轴线上，在所述圆心处通过金属棒固定。

本发明涉及的超表面是指那些通过人工制作的金属结构单元和相同或相近的单元结构周期或者非周期排布能够产生相对特殊的电磁特性的材料；理论上，这种设计能够实现材料结构本构关系的任意取值，对电磁波具有显著的调控作用，正是基于其对电磁波的调控作用，采用超表面进行微带天线可重构设计。

一种可重构天线的制作方法，包括以下步骤：

1)制作源天线层，使所述源天线层的工作频率为2.4GHz；

2)制作超表面的金属环结构层，使得超表面的金属环结构层单元的谐振频率大于或小于天线的所述源天线层工作频率；

3)制作超表面的金属切角结构层,使得所述超表面的金属切角结构层的单元尺寸a2为入/4,入为所述源天线层的中心频率对应的波长；所述超表面的金属切角结构层的切角尺寸b2为a2/4；

4)将所述超表面的金属环结构层和所述超表面的金属切角结构层依次加载在所述源天线层上，通过调整所述源天线层的地板上的槽缝与馈线优化反射系数，进行阻抗匹配；

5)通过调整所述超表面的金属环结构层的矩形金属环单元的边长和单元间距以及调整所述超表面的金属切角结构层的方形金属切角单元的边长，单元间距和切角边长来优化轴比带宽。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.通过在源天线层的正上方加载超表面的金属环结构层和超表面的金属切角结构层，并使之与源天线层完全贴合，通过依次旋转超表面的金属环结构层和超表面的金属切角结构层相对于源天线层的角度，可以同时实现天线极化可重构与频率可重构，其中圆极化(左旋圆极化、右旋圆极化)时可重构频率范围均为470MHz，相对圆极化3dB轴比带宽为19.6％，线极化最大可重构频率范围为800MHz，相对-10dB阻抗带宽为33.3％，具有良好的极化与频率可重构性能，同时从测试结果看本发明还具有尺寸小、损耗抵的效果。

2.测试结果表明天线在圆极化状态时具有较宽的阻抗及天线轴比带宽，线极化时也有较宽的阻抗带宽，在工作频带内增益稳定性较好，进一步验证了该天线具有较好的极化和频率重构特性。

3.测试结果表明天线在圆极化和线极化时，天线增益都较高，损耗小。

4.从天线方向测试图可以看出在各个极化状态下，天线均向+z方向辐射，且后瓣很低，具有良好的辐射性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体结构装配示意图。

图2是本发明的侧视图。

图3是源天线层示意图。

图4是超表面的金属环结构层的示意图。

图5是超表面的金属切角结构层的示意图。

图6是不同θ2时的天线极化方式的示意图。

图7是反射系数的测试结果图。

图8是天线轴比测试结果图。

图9是天线增益测试结果图。

图10是天线方向测试结果图。

附图标记说明：

源天线层-1，地板-1-1，介质板-1-2，超表面的金属环结构层-2，超表面的金属切角结构层-3，金属棒-4。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种可重构天线，具体结构如图1-5所示，包括至下而上设置半径相同以及厚度相同的圆形结构的源天线层，超表面的金属环结构层和超表面的金属切角结构层，这三层的介质基板均为RO4350B，其介电常数为3.48，厚度h均为1.524mm；该源天线层，超表面的金属环结构层和超表面的金属切角结构层的圆心在同一轴线上，在圆心处通过金属棒固定，使得源天线层，超表面的金属环结构层和超表面的金属切角结构层紧凑重叠，该可重构天线采用同轴线背面馈电；源天线层采用槽缝微带天线结构，包括具有矩形的耦合槽缝的地板和具有矩形金属辐射贴片的介质板；超表面的金属环结构层包括沿水平轴与竖直轴周期排列的矩形金属环单元；金属切角结构层包括沿水平方向与竖直方向周期排列的方形金属切角单元；金属环结构层顺时针旋转与水平方向形成的夹角为θ1，金属切角结构层顺时针旋转与水平方向形成的夹角为θ2，这里提到的水平方向即为X轴方向，竖直方向即为Y轴方向。

超表面的金属环结构层用于实现天线频率可重构；超表面的金属切角结构层用于实现天线极化可重构。

研究结果表明，保持θ1不变，当θ2＝0°和θ2＝90°时，天线分别工作在左旋圆极化状态和右旋圆极化状态，且由于超表面的金属切角结构层在θ2＝0°和θ2＝90°时具有镜像对称性，天线的性能具有良好的一致性；当θ2＝45°和135°，天线工作在线极化状态。天线随超表面的金属切角结构层的旋转角度θ2而具有的极化方式如图6所示。当θ2＝0°和θ2＝90°时，旋转超表面的金属环结构层可实现天线圆极化轴比带宽可重构；当θ2＝45°和135°，旋转超表面的金属环结构层可实现天线阻抗带宽可重构。

该可重构天线设计步骤及关键参数设计规则如下：

1).制作源天线层，使之工作于2.4GHz，可重构天线的工作频段主要取决于源天线层的工作频率；

2).制作超表面的金属环结构层，规则是超表面的金属环结构层单元的谐振频率要大于或小于天线的源天线层工作频率，以免电磁波在此处产生谐振，影响天线辐射性能；

3).制作超表面的金属切角结构层,基本原则为单元尺寸a2接近于入/4,入为源天线层的中心频率对应的波长；切角尺寸b2接近于a2/4，因为电磁分量E1与E2需产生90°相位差；

4).将超表面的金属环结构层和超表面的金属切角结构层依次加载在源天线层上，通过调整源天线层地板上的槽缝与馈线优化反射系数S11，进行阻抗匹配；

5).优化轴比带宽(ARWB)，主要取决于超表面的金属切角结构层：a2为主要影响参数，a2增大，ARWB频带降低；b2主要调节轴比带宽的大小，即圆极化的程度，通过调节b2的大小，获得良好的ARWB，c2增大，ARWB频带升高；其次，超表面的金属环结构层也会对轴比带宽产生一定影响，b1增大，轴比带宽频率降低；a1增大，轴比带宽频率也会降低，但是敏感度较b1小；c1增加，轴比带宽频率升高。

上述a2为超表面的金属切角结构层的方形金属切角单元的单元长度尺寸，b2为方形金属切角单元的切角边长尺寸，c2为方形金属切角单元的单元间距。

上述a1为超表面的金属环结构层的矩形金属环单元的长边尺寸，b1为矩形金属环单元的短边尺寸，c2为矩形金属环单元的单元间距。

该可重构天线的测试结果如下：

1.反射系数S11

天线S11测试结果如图7所示。当超表面的金属切角结构层旋转角度θ2＝0°时，天线工作在左旋圆极化状态，此时旋转超表面的金属环结构层0°＜θ1＜25°，天线的阻抗带宽变化范围在S11＜-10dB时为1.9-2.7GHz，如图7a所示。当超表面的金属切角结构层θ2＝90°时，天线工作在右旋圆极化状态，此时旋转超表面的金属环结构层0°＜θ1＜25°,天线的阻抗带宽变化范围在S11＜-10dB时为1.9-2.7GHz，如图7b所示。可以看出θ2＝0°和θ2＝90°由于具有镜像对称性，因此在这两种极化状态下，天线的性能具有良好的一致性。当θ2＝45°时，天线工作在线极化状态，此时旋转超表面的金属环结构层0°＜θ1＜45°，天线的阻抗带宽变化范围为在S11＜-10dB时为1.83-2.48GHz,如图7c所示。当θ2＝135°时，天线工作在线极化状态，此时旋转超表面的金属环结构层0°＜θ1＜45°，天线的阻抗带宽变化范围在S11＜-10dB时为1.94-2.74GHz,如图7d所示。由于整个天线结构的对称性，超表面的金属环结构层最大的有效旋转角度为45°。

2.天线轴比带宽

天线轴比带宽的测试结果如图8所示。当超表面的金属切角结构层的旋转角度θ2＝0°时，旋转超表面的金属环结构层0°＜θ1＜25°，天线的轴比带宽在ARWB<3dB时变化范围为2.11-2.58GHz，如图8a所示。当超表面的金属切角结构层的旋转角度θ2＝90°时，旋转超表面的金属环结构层0°＜θ1＜25°，天线的轴比带宽在ARWB<3dB时的变化范围为2.11-2.58GHz，如图8b所示。从结果可以看出，在这两种极化状态下，天线的轴比带宽在ARWB<3dB时都要略小于其阻抗带宽S11<-10dB,当表面的金属环结构层旋转角度θ1大于25°时，天线的轴比带宽ARWB>3dB。同时，由于θ2＝0°和θ2＝90°具有镜像对称性，它们的轴比具有一定的一致性。当超表面的金属切角结构层的旋转角度θ2＝45°或135°时，旋转超表面的金属环结构层0°≤θ1≤45°，天线的轴比带宽至少大于10dB，如图8c和8d所示,具有良好的线极化纯度。需要说明的是，由于所采用的天线测试系统Satimo Starlab System圆极化轴比测试范围最高为20dB,因此大于20dB的轴比部分将无法实测。

3.天线增益

天线增益的测试结果如图9所示。天线工作于圆极化时，旋转超表面的金属环结构层0°≤θ1≤25°，在轴比带宽内ARWB<3dB，天线的增益都在6.5dBi以上，最高为7.5dBi，如图9a和9b所示。天线工作于线极化时，旋转超表面的金属环结构层0°≤θ1≤25°，在阻抗带宽S11<-10dB内，天线的增益都在6dBi以上，最高为7.2dBi，如图9c和10d所示。

4.天线方向图

天线方向图测试结果如图10所示，可以看出在各个极化状态下，天线均向+Z方向辐射，且后瓣很低，具有良好的辐射性能。在圆极化状态下，天线辐射方向图如图10a、10b所示。在线极化状态下天线辐射方向图，如图10c和10d所示。

因此，本发明实现极化可重构和频率可重构天线避免了采用电子器件调谐带来的损耗大、体积大、成本高、调谐范围小、可重构功能单一等问题，采用结构简洁、成本低的超表面来实现可重构，从而具有调谐范围大、损耗低、结构简单、成本低，且能同时实现极化与频率混合可重构等优势。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种可重构天线，其特征在于：包括至下而上设置的源天线层，超表面的金属环结构层和超表面的金属切角结构层，所述源天线层采用槽缝微带天线结构，包括具有矩形的耦合槽缝的地板和具有矩形金属辐射贴片的介质板；所述超表面的金属环结构层包括沿水平轴与竖直轴周期排列的矩形金属环单元；所述超表面的金属切角结构层包括沿水平方向与竖直方向周期排列的方形金属切角单元。

2.根据权利要求1所述的可重构天线，其特征在于：所述超表面的金属环结构层顺时针旋转与水平方向形成的夹角为θ1，所述超表面的金属切角结构层顺时针旋转与水平方向形成的夹角为θ2。

3.根据权利要求1或2所述的可重构天线，其特征在于：所述源天线层、所述超表面的金属环结构层和所述超表面的金属切角结构层为半径相同以及厚度相同的圆形结构。

4.根据权利要求3所述的可重构天线，其特征在于：所述源天线层，所述超表面的金属环结构层和所述超表面的金属切角结构层的圆心在同一轴线上，通过金属棒固定所述圆心。

5.一种根据权利要求1至4任一所述的可重构天线的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)制作源天线层，使所述源天线层的工作频率为2.4GHz；

2)制作超表面的金属环结构层，使得超表面的金属环结构层单元的谐振频率大于或小于天线的所述源天线层工作频率；

3)制作超表面的金属切角结构层,使得所述超表面的金属切角结构层的单元尺寸a2为入/4,入为所述源天线层的中心频率对应的波长；所述超表面的金属切角结构层的切角尺寸b2为a2/4；

4)将所述超表面的金属环结构层和所述超表面的金属切角结构层依次加载在所述源天线层上，通过调整所述源天线层的地板上的槽缝与馈线优化反射系数，进行阻抗匹配；

5)通过调整所述超表面的金属环结构层的矩形金属环单元的边长和单元间距以及调整所述超表面的金属切角结构层的方形金属切角单元的边长，单元间距和切角边长来优化轴比带宽。