CN107591626A - 基于pin二极管超表面结构控制的波束赋形天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，包括：金属超表面和信号辐射装置；金属超表面设置在信号辐射装置的上方；信号辐射装置包括设置在第一介质层板正下方的金属底板；第一介质层板上表面设置有辐射片；同轴馈电线的上端与辐射片相连接；金属超表面包括：设置在第二介质层板上的外环金属栅格、PIN二极管和内环金属栅格。本发明基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，妙地设计了一种具有结构可控制的超表面结构，将PIN二极管融入超表面的结构设计中，实现了超表面结构的主动调节，可对天线在固定频段内实现天线辐射方向实现360°范围内动态调控，解决了传统天线辐射方向性固定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线，具体的说，是涉及一种基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线。
背景技术
随着电子信息技术的发展，特别是通讯、雷达、导航等领域的飞速发展，天线被广泛应用于生产、生活的方方面面。天线的性能优良与否对提高无线电系统工作性能起着非常重要的作用。随着电磁环境越来越复杂，以及无线通信系统在传输容量和速度上要求的不断升级，在很多应用环境下，人们希望通过一个天线实现不同频率、不同空间辐射特性的工作性能，传统天线只能实现固定的辐射性能已逐渐无法满足某些特殊环境下的使用需求。
波束赋形是一种基于天线的信号预处理技术，波束赋形通过调整天线指向性的波束，从而能够获得明显的阵列增益。因此，波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。
超表面是一种由超材料结构单元构造的超薄二维阵列平面，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控，超表面对电磁波相位的调控是其运用的关键，而目前绝大多数超表面一经设计成型后，其对电磁波相位性质的调控就固定不变了。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种能够实现天线在固定频段内实现天线辐射方向实现360°范围内动态调控的基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线。
本发明所采取的技术方案是：
一种基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，包括：金属超表面和信号辐射装置；金属超表面设置在信号辐射装置的上方；
信号辐射装置包括：第一介质层板，第一介质层板设置有馈电过孔；
第一介质层板正下方设置有金属底板；
第一介质层板上表面设置有辐射片；辐射片用于将电信号转化成电磁波向空间辐射。
馈电过孔内设置有同轴馈电线；
同轴馈电线的上端与辐射片相连接；
金属超表面包括：第二介质层板，第二介质层板上设置有外环金属栅格、PIN二极管和内环金属栅格；
外环金属栅格环绕在内环金属栅格的外侧；
外环金属栅格和内环金属栅格分别设置有安装槽；安装槽内设置有PIN二极管。
所述PIN二极管焊接在安装槽內。
所述安装槽设置在金属栅格Y方向的中心；槽缝隙宽度为2.54mm。
二极管用作射频开关:ON-金属栅格成回路短路,表面电流可循环.OFF-金属栅格成开路,表面电流不能循环。
所述述金属栅格单元距离为2mm。
所述馈电过孔直径大于所述同轴连接器内导体直径；所述辐射片尺寸根据天线工作频率和所述介质参数决定。
所述馈电过孔设置在：所述馈电过孔位于-Y轴、距所述辐射片中心6mm，所述馈电过孔直径为1.5mm；与所述馈电过孔底部连接的金属底板开槽。避免所述馈电过孔与所述金属底板导通。
所述同一区域内，靠近中心区域的所述金属栅格单元线宽宽于远离中心区域的所述金属栅格单元线宽。
本发明相对现有技术的有益效果：
本发明基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，妙地设计了一种具有结构可控制的超表面结构，将PIN二极管融入超表面的结构设计中，实现了超表面结构的主动调节，可对天线在固定频段内实现天线辐射方向实现360°范围内动态调控，解决了传统天线辐射方向性固定的问题。
附图说明
图1超表面结构控制波束赋形天线结构俯视图；
图2超表面结构控制波束赋形天线尺寸俯视图；
图3超表面结构控制波束赋形天线结构侧视图；
图4区域Ⅰ二极管闭合、其他区域二极管断开时天线XOZ与YOZ面方向图；
图5区域Ⅱ二极管闭合、其他区域二极管断开时天线XOZ与YOZ面方向图；
图6区域Ⅱ二极管闭合、其他区域二极管断开时天线增益图；
图7区域Ⅱ二极管闭合、其他区域二极管断开时电压驻波比图。
附图中主要部件符号说明：
图中：
1、金属底板 2、外环金属栅格
3、PIN二极管 4、内环金属栅格
5、辐射片 6、馈电过孔
7、第一介质层板 8、第二介质层板
d1、第一介质层板、第二介质层板边长
d2、辐射片边长
d3、外环金属栅格的边长
d4、安装槽宽度
d5、外环金属栅格的线宽
d6、代表着若干金属栅格之间的间距
d7、内环金属栅格的线宽
d8、馈电过孔与坐标中心的距离。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明：
d6是为了实现预期的辐射性能而优化设计确定的值。
附图1-7可知，一种基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，包括：金属超表面和信号辐射装置；金属超表面设置在信号辐射装置的上方；
信号辐射装置包括：第一介质层板7，第一介质层板设置有馈电过孔；
第一介质层板7正下方设置有金属底板1；
第一介质层板7上表面设置有辐射片5；辐射片5用于将电信号转化成电磁波向空间辐射；
馈电过孔内设置有同轴馈电线；
同轴馈电线的上端与辐射片相连接；
金属超表面包括：第二介质层板8，第二介质层板8上设置有外环金属栅格2、PIN二极管3和内环金属栅格4；
外环金属栅格2环绕在内环金属栅格4的外侧；
外环金属栅格2和内环金属栅格4分别设置有安装槽；安装槽内设置有PIN二极管3。
所述PIN二极管3焊接在安装槽內。
所述安装槽设置在金属栅格Y方向的中心；槽缝隙宽度为2.54mm。
二极管用作射频开关:ON-金属栅格成回路短路,表面电流可循环.OFF-金属栅格成开路,表面电流不能循环。
所述述金属栅格单元距离为2mm。
所述馈电过孔直径大于所述同轴连接器内导体直径；所述辐射片尺寸根据天线工作频率和所述介质参数决定。
所述馈电过孔设置在：所述馈电过孔位于-Y轴、距所述辐射片中心6mm，所述馈电过孔直径为1.5mm；与所述馈电过孔底部连接的金属底板开槽。避免所述馈电过孔与所述金属底板导通。
所述同一区域内，靠近中心区域的所述金属栅格单元线宽宽于远离中心区域的所述金属栅格单元线宽。
本发明基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，妙地设计了一种具有结构可控制的超表面结构，将PIN二极管融入超表面的结构设计中，实现了超表面结构的主动调节，可对天线在固定频段内实现天线辐射方向实现360°范围内动态调控，解决了传统天线辐射方向性固定的问题。
本发明基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，所述金属底板尺寸为200mm×200mm，所述馈电过孔位于-Y轴、距所述辐射片中心6mm处，所述馈电过孔直径为1.5mm，所述第一介质层板选用FR-4板材，厚度为1.6mm，所述辐射片尺寸为28mm×28mm。所述金属辐射片与所述金属超表面结构的垂直距离为15mm。
采用四区域所述金属超表面结构，故所述金属超表面结构单元设计为所述四边形金属栅格结构。
同一区域内，靠近中心区域的所述金属栅格单元线宽宽于远离中心区域的所述金属栅格单元线宽，附图1，内部所述金属栅格线宽为5mm，外围所述金属栅格线宽为3mm，所述金属栅格外围线长为22mm，所述金属栅格单元距离为2mm。
依据实际二极管封装尺寸，将所述金属栅格结构开槽，开槽处放置所述二极管，附图1，槽缝隙位于所述金属栅格Y方向的中心，靠近中心区域的一侧处，槽缝隙宽度为2.54mm。
第一介质层板和第二介质层板为FR-4板材，厚度为1.6mm。
金属底板尺寸不小于1/2波长×1/2波长，所述馈电过孔位于坐标轴上，与所述馈电过孔底部连接的所述金属底板处开槽，避免所述馈电过孔与所述金属底板导通。
区域Ⅰ二极管闭合、其他区域二极管断开时，以及区域Ⅱ二极管闭合、其他区域二极管断开时天线的XOZ与YOZ平面的辐射方向图如图4、图5所示。
由图可知当不同区域的二极管闭合时，天线的辐射方向将明显向闭合区域方向发生转变，通过控制相应区域二极管的开关，即可实现天线的波束赋形特性。以区域Ⅱ二极管闭合、其他区域二极管断开为例，由图6可知，天线增益图可以看出天线的最大增益带宽(≥4dBi)为0.09GHz(2.37-2.46GHz)，由图7天线电压驻波比图可以看出天线的电压驻波比带宽(≤3)为0.14GHz(2.37-2.51GHz)，即天线可在2.37-2.46GHz范围内实现高性能辐射工作特性。
本发明一种基于明超表面结构控制的波束赋形天线的超表面控制方案，还可进一步扩展到太赫兹、红外和光波段的器件设计中，实现对电磁波的波束调节、波束扫描、汇聚成像、复杂波束形成、极化转换等调控，具有广阔的应用前景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案范围内。
Claims (7)
1.一种基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，其特征在于，包括：金属超表面和信号辐射装置；金属超表面设置在信号辐射装置的上方；
信号辐射装置包括：第一介质层板，第一介质层板设置有馈电过孔；
第一介质层板正下方设置有金属底板；
第一介质层板上表面设置有辐射片；辐射片用于将电信号转化成电磁波向空间辐射。
馈电过孔内设置有同轴馈电线；
同轴馈电线的上端与辐射片相连接；
金属超表面包括：第二介质层板，第二介质层板上设置有外环金属栅格、PIN二极管和内环金属栅格；
外环金属栅格环绕在内环金属栅格的外侧；
外环金属栅格和内环金属栅格分别设置有安装槽；安装槽内设置有PIN二极管。
2.根据权利要求1所述基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，其特征在于：所述PIN二极管焊接在安装槽內。
3.根据权利要求1所述基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，其特征在于：所述安装槽设置在金属栅格Y方向的中心；槽缝隙宽度为2.54mm。
4.根据权利要求1所述基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，其特征在于：所述述金属栅格单元距离为2mm。
5.根据权利要求1所述基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，其特征在于：所述馈电过孔直径大于所述同轴连接器内导体直径；所述辐射片尺寸根据天线工作频率和所述介质参数决定。
6.根据权利要求1所述基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，其特征在于：所述馈电过孔设置在：所述馈电过孔位于-Y轴、距所述辐射片中心6mm，所述馈电过孔直径为1.5mm；与所述馈电过孔底部连接的金属底板开槽。
7.根据权利要求1所述基于PIN二极管超表面结构控制的波束赋形天线，其特征在于：所述同一区域内，靠近中心区域的所述金属栅格单元线宽宽于远离中心区域的所述金属栅格单元线宽。
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