CN107634324A - 一种方向图电调圆极化偶极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种方向图电调圆极化偶极子天线，包括四个天线单元、方形PCB板，馈电端口，金属接地板和介质板以及隔离电容；介质板是由四个介质片组成，四个天线单元分别位于PCB板的四个端面，每个天线单元包括4个金属片和2个阶梯型金属片，结构完全相同，呈中心对称分布。本发明具有结构简单、损耗低、带宽宽、增益高、辐射效率高、在四种辐射方向之间可方便切换等优点，该方向图电调圆极化偶极子天线非常适用于现代无线通信系统。
Description
[技术领域]
本发明涉及微波无源器件，尤其涉及一种方向图电调圆极化偶极子天线。
[背景技术]
随着无线通信的蓬勃发展，天线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏决定着系统是否可以正常工作以及各项功能能否顺利地运行。近年来，随着GSM、3G、LTE、WiFi、WLAN、WiMAX等多种移动通信应用的发展，这就要求设备上的天线具有强大的信息收发功能。在有限的频谱资源条件下，实现设备高速率、大容量的信息传输和多业务的协同合作；另一方面，由于现代大容量、多功能综合无线通信系统的快速发展，使得在同一通信平台上搭载的通信子系统的数量也来越多，从而平台上所需天线的数量也需要相应增加。从降低成本、减轻重量、实现良好电磁兼容特性等方面来看，这种现象非常不利。将会成为制约无线综合系统进一步发展和应用的瓶颈。
许多无线通信应用对波束方向可调或者波束方向可重构提出了更高的要求，比如蜂窝基站、车对车通信、遥感、卫星通信以及认知无线电等等。传统的设计多是基于相控阵天线，并且能够提供宽的波束转换角度和高的辐射方向性。但是他们在结构方面体积较大，需要复杂的馈电网路以及较高的成本。
由此可知，设计出满足多样的系统需求，适应复杂多变的应用环境的天线，是现代通信继续发展的关键。
在目前已公开的文献中，方向图可重构天线类型主要包括反射面天线和以电控开关控制的寄生阵列散射器。然而，(1)通过在反射面天线的反射面上添加开关来实现可变的反射相位以及可调的波束方向。但其小于60°的扫描角度，无法满足日新月异的宽带无线通信的要求；(2)利用不同的辐射单元之间的互耦，中间的主辐射天线把能量耦合到周围的寄生单元上，寄生单元上加载的变容二极管可以使得这个寄生单元产生相位偏移，主天线与寄生单元之间的这样一种相位差的关系会产生波束扫描的效果。该方法虽然能够达到大范围的扫频角度，但是ESPAR天线的频带范围较窄，只有15％。(3)其他的一些设计是基于单臂螺旋天线、quasi-yagi天线或者是SIW喇叭天线的基础上，同样实现了波束可重构。但是这些天线的辐射方向图不是很理想，波束扫频范围较窄并且体积很大。如上所述的各方面缺陷将限制这些方向图可重构天线在现代无线通信系统中的应用。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、损耗低、方向图可重构的圆极化偶极子天线。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种方向图电调圆极化偶极子天线，包括第一天线单元1，第二天线单元2，第三天线单元3，第四天线单元4，方形PCB板5，馈电端口6，金属接地板和介质板以及隔离电容；介质板是由四个介质片81，82，83，84组成，四个天线单元1，2，3，4分别位于PCB板5的四个端面，结构完全相同，呈中心对称分布；第一天线单元1 包含金属片11，金属片12，金属片13，金属片14，阶梯形金属片15，阶梯形金属片16；第二天线单元2包含金属片21，金属片22，金属片23，金属片24，阶梯形金属片25，阶梯形金属片26；第三天线单元3包含金属片31，金属片 32，金属片33，金属片34，阶梯形金属片35，阶梯形金属片36；第四天线单元4包含金属片41，金属片42，金属片43，金属片44，阶梯形金属片45，阶梯形金属片46。
进一步地，馈电形式采用放置在方形PCB板中心的探针馈电。
进一步地，四个介质片81，82，83，84分别位于方形PCB板5的四个端面，并覆盖方形PCB板5的四个端面，方形PCB板5前后分别接有一块金属接地板71，72，金属接地板大小与方形PCB板5侧面一样大。
进一步地，中心馈电端口6包括金属圆柱体61和金属圆柱体62，金属圆柱体61与方形PCB板5前面表面地板71相接，金属圆柱体62与方形PCB板5 后面表面地板72相接。两个金属圆柱体61和62前后相连，呈阶梯状排列，圆柱的中轴线与方形PCB板5的中轴线重合。
进一步地，金属片11、12与介质片81平行，与金属接地板7172垂直，沿第1中轴线对称放置，且金属片11与金属接地板71垂直相接，金属片12与金属接地板72垂直相接。金属片13与金属片11垂直相接，金属片14与金属片 12垂直相接，沿第1中轴线对称放置。阶梯形金属片15与金属片13垂直相接，阶梯形金属片16与金属片14垂直相接，阶梯形金属片15和阶梯形金属片16 关于第1中轴线中心对称。
进一步地，金属片21、22与介质片82平行，与金属接地板7172垂直，沿第2中轴线对称放置，且金属片21与金属接地板71垂直相接，金属片22与金属接地板72垂直相接。金属片23与金属片21垂直相接，金属片24与金属片 22垂直相接，沿第2中轴线对称放置。阶梯形金属片25与金属片23垂直相接，阶梯形金属片26与阶梯形金属片24垂直相接，阶梯形金属片25和阶梯形金属片26关于第2中轴线中心对称。
进一步地，金属片31、32与介质片83平行，与金属接地板7172垂直，沿第1中轴线对称放置，且金属片31与金属接地板71垂直相接，金属片32与金属接地板72垂直相接。金属片33与金属片31垂直相接，金属片34与金属片32垂直相接，沿第1中轴线对称放置。阶梯形金属片35与金属片33垂直相接，阶梯形金属片36与金属片34垂直相接，阶梯形金属片35和阶梯形金属片36 关于第1中轴线中心对称。
进一步地，金属片41、42与介质片84平行，与金属接地板7172垂直，沿第2中轴线对称放置，且金属片41与金属接地板71垂直相接，金属片42与金属接地板72垂直相接。金属片43与金属片41垂直相接，金属片44与金属片 42垂直相接，沿第2中轴线对称放置。阶梯形金属片45与金属片43垂直相接，阶梯形金属片46与金属片44垂直相接，阶梯形金属片45和阶梯形金属片46 关于第2中轴线中心对称。
进一步地，四对方形贴片17、18、19、110分别位于介质片81上，将介质片81均匀分成五个部分；方形贴片17间的狭缝由电控开关111连接，方形贴片18间的狭缝由电控开关112连接，方形贴片19间的狭缝由电控开关113连接，方形贴片110间的狭缝由电控开关114连接。
进一步地，四对方形贴片27、28、29、210分别位于介质片82上，将介质片82均匀分成五个部分；方形贴片27间的狭缝由电控开关211连接，方形贴片28间的狭缝由电控开关212连接，方形贴片29间的狭缝由电控开关213连接，方形贴片210间的狭缝由电控开关214连接。
进一步地，四对方形贴片37、38、39、310分别位于介质片83上，将介质片83均匀分成五个部分；方形贴片37间的狭缝由电控开关311连接，方形贴片38间的狭缝由电控开关312连接，方形贴片39间的狭缝由电控开关313连接，方形贴片310间的狭缝由电控开关314连接。
进一步地，四对方形贴片47、48、49、410分别位于介质片84上，将介质片84均匀分成五个部分；方形贴片47间的狭缝由电控开关411连接，方形贴片48间的狭缝由电控开关412连接，方形贴片49间的狭缝由电控开关413连接，方形贴片410间的狭缝由电控开关414连接。
进一步地，所有电控开关的阴极均与-y轴方向的方形贴片相连，-y轴方向的方形贴片通过直流导线与直流电源的负极连接，给所有电控开关的阴极提供 0V电压；电容的阳极均与+y轴方向的方形贴片相连，+y轴方向的方形贴片通过直流馈线与直流电源的正极连接，给所有电控开关的阳极提供3V电压。
进一步地，第一天线单元1的四个电控开关由同一直流电源控制，第二天线单元2的四个电控开关由同一直流电源控制，第三天线单元3的四个电控开关由同一直流电源控制，第四天线单元4的电四个电控开关由同一直流电源控制。
进一步地，在方形PCB板的背面有28个电容通过直流电缆相连，这些电容用来隔离直流电容以及提高四个天线单元电控开关通断的独立性。
进一步地，所述的电控开关为二极管，二极管的阴极接+y方向的方形贴片，二极管的阴极接-y方向的方形贴片。
进一步地，各天线单元1、2、3、4的电控开关阳极通过直流馈线接通3V 直流电压时，各个天线单元均处于全反射状态；天线单元1的电控开关处于断开，直流天线单元2、3、4的电控开关处于接通时，天线单元1具有辐射效应，形成+z轴定向辐射；天线单元2的电控开关处于断开，天线单元1、3、4的电控开关处于接通时，天线单元2具有辐射效应，形成-x轴定向辐射；天线单元3 的电控开关处于断开，天线单元1、2、4的电控开关处于接通时，天线单元3 具有辐射效应，形成-z轴定向辐射；天线单元4的电控开关处于断开，天线单元1、2、3的电控开关处于接通时，天线单元4具有辐射效应，形成+x轴定向辐射；通过控制每个天线单元电控开关的通断进而可以实现方向图电调特性。
本发明具有结构简单、损耗低、带宽宽、增益高、辐射效率高、在四种辐射方向之间可方便切换等优点，该方向图电调圆极化偶极子天线非常适用于现代无线通信系统。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线的立体图。
图2是本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线的主视图、左视图、俯视图、右视图、仰视图和剖视图，(a)是主视图，(b)是左视图，(c)是俯视图， (d)是右视图，(e)是仰视图，(f)是后视图，(g)是从底面看进去的剖视图。
图3是本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线的尺寸图。
图4是本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线偶极子在2.2GHz时一个周期内的电流分布图，(a)t＝0，(b)t＝T/4，(c)t＝T/2，(d)t＝3T/4。
图5是本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线的S11参数仿真和测试图以及增益的仿真和测试图。
图6是本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线的辐射效率图。
图7是本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线在1.9GHz和2.5GHz时的辐射方向图。
[具体实施方式]
本发明采的方向图电调圆极化偶极子天线包括第一天线单元，第二天线单元，第三天线单元，第四天线单元，方形PCB板，馈电端口，两块金属接地板，薄介质板以及隔离电容，4个天线单元中心对称地分布在PCB板的四个端面上。天线单元包括直流馈线、方形贴片、电控开关、宽带偶极子，方形贴片是PCB 板四周端面薄介质板表面蚀刻的金属铜。
第一天线单元有6块金属片，且金属片的长边与第一中轴线平行。金属片 11垂直放置于前金属地板上，金属片12垂直放置于后金属地板上，金属片11、 12关于第1中轴线成轴对称排列。金属片13与金属片11垂直相接，短边沿+z 轴方向放置，金属片14与金属片12垂直相接，短边沿+z轴方向放置，金属片 13和金属片14关于第1中轴线成轴对称排列。阶梯形金属片15与金属片13垂直相接，阶梯形金属片16与金属片14垂直相接，阶梯形金属片15和阶梯形金属片16关于第1中轴线成中心对称。
第二天线单元有6块金属片，且金属片的长边与第2中轴线平行。金属片 21垂直放置于前金属地板上，金属片22垂直放置于后金属地板上，金属片21、 22关于第2中轴线成轴对称排列。金属片23与金属片21垂直相接，短边沿-x 轴方向放置，金属片24与金属片22垂直相接，短边沿-x轴方向放置，金属片 23和金属片24关于第2中轴线成轴对称排列。阶梯形金属片25与金属片23垂直相接，阶梯形金属片26与金属片24垂直相接，阶梯形金属片25和阶梯形金属片26关于第2中轴线成中心对称。
第三天线单元有6块金属片，且金属片的长边与第1中轴线平行。金属片 31垂直放置于前金属地板上，金属片32垂直放置于后金属地板上，金属片31、 32关于第1中轴线成轴对称排列。金属片33与金属片31垂直相接，短边沿-z 轴方向放置，金属片34与金属片32垂直相接，短边沿-z轴方向放置，金属片 33和金属片34关于第1中轴线成轴对称排列。阶梯形金属片35与金属片33垂直相接，阶梯形金属片36与金属片34垂直相接，阶梯形金属片35和阶梯形金属片36关于第1中轴线成中心对称。
第四天线单元有6块金属片，且金属片的长边与第2中轴线平行。金属片 41垂直放置于前金属地板上，金属片42垂直放置于后金属地板上，金属片41、42关于第2中轴线成轴对称排列。金属片43与金属片41垂直相接，短边沿+x 轴方向放置，金属片44与金属片42垂直相接，短边沿+x轴方向放置，金属片 43和金属片44关于第2中轴线成轴对称排列。阶梯形金属片45与金属片43垂直相接，阶梯形金属片46与金属片44垂直相接，阶梯形金属片45和阶梯形金属片46关于第2中轴线成中心对称。
中心馈电端口包括较小的金属圆柱体和较大的金属圆柱体，较小的金属圆柱体与方形PCB板前面表面地板相接，较大的金属圆柱体与方形PCB板后面表面地板相接。两个金属圆柱体和前后相连，呈阶梯状排列，圆柱的中轴线与方形PCB板的中轴线重合。
方形PCB板每个端面薄介质板分别蚀刻8个方形贴片，每两个组成一组，两者之间的缝隙通过电控开关连接。PCB板每个端面4组方形贴片把该端面分成均匀5个部分，电控开关为二极管，二极管的阳极接沿+y轴的方形贴片，二极管的阴极接沿-y轴的方形贴片。
所有电控开关的阴极均与-y轴方向的方形贴片相连，-y轴方向的方形贴片通过直流导线与直流电源的负极连接，给所有电控开关的阴极提供0V电压；电容的阳极均与+y轴方向的方形贴片相连，+y轴方向的方形贴片与直流电源的正极连接，给所有电控开关的阳极提供3V电压。
第一天线单元的电控开关由同一直流电源控制，第二天线单元的电控开关由同一直流电源控制，第三天线单元的电控开关由同一开关控制，第四天线单元的电控开关由同一电控开关控制。
另外在方形PCB板的背面有28个电容通过直流电缆相连，这些电容用来隔离直流电容以及提高四个天线单元电控开关通断的独立性。
各天线单元的电控开关都接通时，各个天线单元均处于全反射状态；第一天线单元的电控开关处于断开，第二天线单元、第三天线单元、第四天线单元的电控开关处于接通时，第一天线单元具有辐射效应，形成+z轴定向辐射；第二天线单元的电控开关处于断开，第一天线单元、第三天线单元、第四天线单元天线单元的电控开关处于接通时，第二天线单元具有辐射效应，形成-x轴定向辐射；第三天线单元的电控开关处于断开，第一天线单元、第二天线单元、第四天线单元的电控开关处于接通时，第三天线单元具有辐射效应，形成-z轴定向辐射；第四天线单元的电控开关处于断开，第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元的电控开关处于接通时，第四天线单元具有辐射效应，形成+x轴定向辐射；通过分别控制每个天线单元电控开关通断进而实现方向图电调特性。
如图1、图2所示，本发明实施例的方向图电调圆极化偶极子天线，包括第一天线单元1，金属片11、金属片12、金属片13、金属片14、阶梯形金属片 15、阶梯形金属片16、方形贴片17、方形贴片18、方形贴片19、方形贴片110、电控开关111、电控开关112、电控开关113、电控开关114；第二天线单元2，金属片21、金属片22、金属片23、金属片24、阶梯形金属片25、阶梯形金属片26、方形贴片27、方形贴片28、方形贴片29、方形贴片210、电控开关211、电控开关212、电控开关213、电控开关214；第三天线单元3，金属片31、金属片32、金属片33、金属片34、阶梯形金属片35、阶梯形金属片36、方形贴片37、方形贴片38、方形贴片39、方形贴片310、电控开关311、电控开关312、电控开关313、电控开关314；第四天线单元4，金属片41、金属片42、金属片 43、金属片44、阶梯形金属片45、阶梯形金属片46、方形贴片47、方形贴片48、方形贴片49、方形贴片410、电控开关411、电控开关412、电控开关413、电控开关414。方形PCB板5，中心馈电端口6，小金属圆柱61，大金属圆柱 62，金属接地板71，金属接地板72，薄介质片81，薄介质片82，薄介质片83，薄介质片84。电容91，电容92，电容93，电容94，电容95，电容96，电容 97，电容98，电容99，电容910，电容911，电容912，电容913，电容914，电容915，电容916，电容917，电容918，电容919，电容920，电容921，电容922，电容923，电容924，电容925，电容926，电容927，电容928。
其中，方形贴片17、方形贴片18、方形贴片19、方形贴片110、电控开关 111、电控开关112、电控开关113、电控开关114位于薄介质片81表面；方形贴片27、方形贴片28、方形贴片29、方形贴片210、电控开关211、电控开关 212、电控开关213、电控开关214位于薄介质片82表面；方形贴片37、方形贴片38、方形贴片39、方形贴片310、电控开关311、电控开关312、电控开关 313、电控开关314位于薄介质片83表面；方形贴片47、方形贴片48、方形贴片49、方形贴片410、电控开关411、电控开关412、电控开关413、电控开关 414位于薄介质片84表面。
电容91，电容92，电容93，电容94，电容95，电容96，电容97，电容 98，电容99，电容910，电容911，电容912，电容913，电容914，电容915，电容916，电容917，电容918，电容919，电容920，电容921，电容922，电容923，电容924，电容925，电容926，电容927，电容928位于金属接地板 72表面蚀刻的槽内。
中心馈电端口6位于方形PCB板5的正中心，由较小的金属圆柱体61和较大的金属圆柱体62组成，较小的金属圆柱体61与方形PCB板5前面表面地板 71相接，较大的金属圆柱体62与方形PCB板5后面表面地板72相接。两个金属圆柱体61和62前后相连，呈阶梯状排列。金属圆柱体61的上下底面圆心连线经过方形PCB板5对角线的交点，金属圆柱体62的上下底面圆心连线经过方形PCB板5对角线的交点，金属圆柱体61上下底面圆心连线与金属圆柱体62 上下底面圆心连线重合。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，实施例方形PCB板5和薄介质基板81、82、83、84均为印刷电路板的基板，其中，方形PCB板5的相对介电常数为2.33，厚度为3.962mm，薄介质基板81、82、83、84的相对介电常数均为3，厚度为0.13mm。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，实施例第一天线单元金属片金属片11垂直放置于前金属地板上，金属片12垂直放置于后金属地板上，金属片11、12关于第1中轴线成轴对称排列。金属片13与金属片11垂直相接，短边沿+z轴方向放置，金属片14与金属片12垂直相接，短边沿+z轴方向放置，金属片13和金属片14关于第1中轴线成轴对称排列。金属片15与金属片13 垂直相接，阶梯形金属片16与金属片14垂直相接，阶梯形金属片15和阶梯形金属片16关于第1中轴线成中心对称。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，实施例第一天线单元四对方形贴片17、18、19、110分别位于介质片81上，将介质片81均匀分成五个部分；方形贴片17间的狭缝由电控开关111连接，方形贴片18间的狭缝由电控开关112连接，方形贴片19间的狭缝由电控开关113连接，方形贴片110间的狭缝由电控开关114连接。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，实施例第二天线单元金属片21垂直放置于前金属地板上，金属片22垂直放置于后金属地板上，金属片21、 22关于第2中轴线成轴对称排列。金属片23与金属片21垂直相接，短边沿-x 轴方向放置，金属片24与金属片22垂直相接，短边沿-x轴方向放置，金属片 23和金属片24关于第2中轴线成轴对称排列。金属片25与金属片23垂直相接，阶梯形金属片26与金属片24垂直相接，阶梯形金属片25和阶梯形金属片26 关于第2中轴线成中心对称。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，实施例第二天线单元四对方形贴片27、28、29、210分别位于介质片82上，将介质片82均匀分成五个部分；方形贴片27间的狭缝由电控开关211连接，方形贴片28间的狭缝由电控开关212连接，方形贴片29间的狭缝由电控开关213连接，方形贴片210间的狭缝由电控开关214连接。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，实施例第三天线单元金属片 31垂直放置于前金属地板上，金属片32垂直放置于后金属地板上，金属片31、 32关于第1中轴线成轴对称排列。金属片33与金属片31垂直相接，短边沿-z 轴方向放置，金属片34与金属片32垂直相接，短边沿-z轴方向放置，金属片 33和金属片34关于第1中轴线成轴对称排列。金属片35与金属片33垂直相接，阶梯形金属片36与金属片34垂直相接，阶梯形金属片35和阶梯形金属片36 关于第1中轴线成中心对称。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，实施例第三天线单元四对方形贴片37、38、39、310分别位于介质片83上，将介质片83均匀分成五个部分；方形贴片37间的狭缝由电控开关311连接，方形贴片38间的狭缝由电控开关312连接，方形贴片39间的狭缝由电控开关313连接，方形贴片310间的狭缝由电控开关314连接。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，实施例第四天线单元金属片 41垂直放置于前金属地板上，金属片42垂直放置于后金属地板上，金属片41、 42关于第2中轴线成轴对称排列。金属片43与金属片41垂直相接，短边沿+x 轴方向放置，金属片44与金属片42垂直相接，短边沿+x轴方向放置，金属片 43和金属片44关于第2中轴线成轴对称排列。金属片45与金属片43垂直相接，阶梯形金属片46与金属片44垂直相接，阶梯形金属片45和金属片46关于第2 中轴线成中心对称。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，实施例第四天线单元四对方形贴片47、48、49、410分别位于介质片84上，将介质片84均匀分成五个部分；方形贴片47间的狭缝由电控开关411连接，方形贴片48间的狭缝由电控开关412连接，方形贴片49间的狭缝由电控开关413连接，方形贴片410间的狭缝由电控开关414连接。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，电控开关111、电控开关112、电控开关113、电控开关114、电控开关211、电控开关212、电控开关213、电控开关214、电控开关311、电控开关312、电控开关313、电控开关314、电控开关411、电控开关412、电控开关413、电控开关414的阴极均与-y轴方向的方形贴片相连，-y轴方向的方形贴片通过直流导线与直流电源的负极连接，给所有电控开关的阴极提供0V电压；电容的阳极均与+y轴方向的方形贴片相连， +y轴方向的方形贴片通过直流导线与直流电源的正极连接，给所有电控开关的阳极提供3V电压。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，第一天线单元1的电控开关由同一直流电源控制，第二天线单元2的电控开关由同一直流电源控制，第三天线单元3的电控开关由同一直流电源控制，第四天线单元4的电控开关由同一直流电源控制。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，所述的电控开关为二极管，二极管的阴极接+y方向的方形贴片，二极管的阴极接-y方向的方形贴片。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，通过四组电压分别控制四组二极管电控开关的通断，改变天线辐射单元的结构，从而实现天线的方向图电可调。当天线单元1、天线单元2、天线单元3、天线单元4的电控开关被给予 3V直流电压时，各个天线单元均处于全反射状态；天线单元1的电控开关阳极直流导线处于断开，天线单元2、天线单元3、天线单元4的电控开关被给予3V 直流电压时，天线单元1具有辐射效应，形成+z轴定向辐射；天线单元2的电控开关阳极直流导线处于断开，天线单元1、天线单元3、天线单元4的电控开关被给予3V直流电压时时，天线单元2具有辐射效应，形成-x轴定向辐射；天线单元3的电控开关处于断开，天线单元1、天线单元2、天线单元4的电控开关处于接通时，天线单元3具有辐射效应，形成-z轴定向辐射；天线单元4的电控开关处于断开，天线单元1、天线单元2、天线单元3的电控开关处于接通时，天线单元4具有辐射效应，形成+x轴定向辐射；实现方向图电调特性。
当直流电源提供的是高电平信号(3V电压)时，电控开关导通，当直流电源提供的是低电平信号(0V电压)，电控开关断开。背面金属接地板上的电容用来隔离直流电流，并为四个天线单元电控开关的通断提供独立性。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，所有电控开关的型号采用采用英飞凌公司的型号为BAR50二极管开关，通过高低电平来控制其通断。
本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线，通过馈电端口6接入馈源信号，激励起方形集成波导谐振腔5，然后经由位于方形集成波导谐振腔5端面上的薄介质板8，耦合激励起天线辐射单元，从而实现能量的发射。
下面结合细化的实施例对本发明实施例作进一步详细描述。
如图3所示，以中心工作频率在2.25GHz的方向图电调圆极化偶极子天线为例，方形PCB板5和薄介质基板81、82、83、84均为印刷电路板的基板，其中，方形PCB板5的相对介电常数为2.33，厚度为3.962mm，损耗角正切为0.0012 薄介质基板81、82、83、84的相对介电常数均为3，厚度为0.13mm，损耗角正切为0.0013。
本实施例的方向图电调圆极化偶极子天线的各尺寸参数如下：
本实施例的方向图电调圆极化偶极子天线是在Ansys公司的商业全波电磁仿真软件HFSS建模仿真设计。
图4是本实施例中方向图电调圆极化偶极子天线偶极子在2.2GHz时一个周期内的电流分布图。从图中可以看出，在一个周期内，偶极子上的电流是按照逆时针方向变化的，实现右旋圆极化。
图5和图6是本实施例中的方向图电调圆极化偶极子天线回波损耗和增益以及辐射效率的仿真和实测结果图。从图中的实测结果可以看出，圆极化状态下在1.5GHz-3GHz范围内，阻抗匹配带宽达到67％，比仿真稍微宽一点。在频段1.7GHz-2.65GHz，仿真增益约为4.8dBic,而测试的增益在3.6dBic-5.2dBic 范围内变化，测试和仿真有差别的主要原因是加工误差以及添加的实际的直流电缆。在1.7GHz-2.65GHz内，测试的3-dB轴比带宽是44％,基本可以被 S11<10dB的工作带宽覆盖。在阻抗匹配的频率范围内，测试的辐射效率大约是81％，如图5所示。能量的损耗主要是由pin二极管带来的欧姆损耗造成的。金属损耗和介质损耗和欧姆损耗相比可以忽略不计。
沿+z轴方向在1.9GHz和2.5GHz测试和仿真的辐射方向图如图7所示，在yoz和xoz面测试的右旋圆极化共面极化具有全向性的辐射特性，这两个平面内左旋圆极化展现出交叉极化特点。另外通过控制电控开关的通断，测试不同波束方向下天线的辐射参数，发现在四种辐射方向下，天线的辐射性能很相似。鉴于该天线具有关于xoz面的对称特性，因此xoz平面的H面方向图可以通过在 xoz面内旋转4次，每次旋转90°来获得。因此，本实施例的方向图电调圆极化偶极子天线，通过利用这四个波束方向的切换，能够覆盖整个xoz平面。
综上所述，本发明实施例方向图电调圆极化偶极子天线具有结构简单、损耗低、带宽宽、增益高、辐射效率高、在四种辐射方向之间可方便切换等优点，该方向图电调圆极化偶极子天线非常适用于现代无线通信系统。
Claims (10)
1.一种方向图电调圆极化偶极子天线，其特征在于，包括第一天线单元(1)，第二天线单元(2)，第三天线单元(3)，第四天线单元(4)，方形PCB板(5)，馈电端口(6)，金属接地板和介质板以及隔离电容；介质板是由四个介质片(81)，(82)，(83)，(84)组成，四个天线单元(1)，(2)，(3)，(4)分别位于PCB板(5)的四个端面，结构完全相同，呈中心对称分布；第一天线单元(1)包含金属片(11)，金属片(12)，金属片(13)，金属片(14)，阶梯形金属片(15)，阶梯形金属片(16)；第二天线单元(2)包含金属片(21)，金属片(22)，金属片(23)，金属片(24)，阶梯形金属片(25)，阶梯形金属片(26)；第三天线单元(3)包含金属片(31)，金属片(32)，金属片(33)，金属片(34)，阶梯形金属片(35)，阶梯形金属片(36)；第四天线单元(4)包含金属片(41)，金属片(42)，金属片(43)，金属片(44)，阶梯形金属片(45)，阶梯形金属片(46)。
2.根据权利要求1所述的一种方向图电调圆极化偶极子天线，其特征在于，馈电形式采用放置在方形PCB板中心的馈电端口(6)的探针馈电。
3.根据权利要求1所述的一种方向图电调圆极化偶极子天线，其特征在于，四个介质片(81)，(82)，(83)，(84)分别位于方形PCB板(5)的四个端面，并覆盖方形PCB板(5)的四个端面，方形PCB板(5)前后分别接有一块金属接地板(71)，(72)，金属接地板大小与方形PCB板(5)侧面一样大。
4.根据权利要求1所述的一种方向图电调圆极化偶极子天线，其特征在于，金属片(11)、(12)与介质片(81)平行，与金属接地板(71)(72)垂直，沿第1中轴线对称放置，且金属片(11)与金属接地板(71)垂直相接，金属片(12)与金属接地板(72)垂直相接。金属片(13)与金属片(11)垂直相接，金属片(14)与金属片(12)垂直相接，沿第1中轴线对称放置。阶梯形金属片(15)与金属片(13)垂直相接，阶梯形金属片(16)与金属片(14)垂直相接，阶梯形金属片(15)和阶梯形金属片(16)关于第1中轴线中心对称；
金属片(21)、(22)与介质片(82)平行，与金属接地板(71)(72)垂直，沿第2中轴线对称放置，且金属片(21)与金属接地板(71)垂直相接，金属片(22)与金属接地板(72)垂直相接。金属片(23)与金属片(21)垂直相接，金属片(24)与金属片(22)垂直相接，沿第2中轴线对称放置。阶梯形金属片(25)与金属片(23)垂直相接，阶梯形金属片(26)与阶梯形金属片(24)垂直相接，阶梯形金属片(25)和阶梯形金属片(26)关于第2中轴线中心对称。
金属片(31)、(32)与介质片(83)平行，与金属接地板(71)(72)垂直，沿第1中轴线对称放置，且金属片(31)与金属接地板(71)垂直相接，金属片(32)与金属接地板(72)垂直相接。金属片(33)与金属片(31)垂直相接，金属片(34)与金属片(32)垂直相接，沿第1中轴线对称放置。阶梯形金属片(35)与金属片(33)垂直相接，阶梯形金属片(36)与金属片(34)垂直相接，阶梯形金属片(35)和阶梯形金属片(36)关于第1中轴线中心对称；
金属片(41)、(42)与介质片(84)平行，与金属接地板(71)(72)垂直，沿第2中轴线对称放置，且金属片(41)与金属接地板(71)垂直相接，金属片(42)与金属接地板(72)垂直相接。金属片(43)与金属片(41)垂直相接，金属片(44)与金属片(42)垂直相接，沿第2中轴线对称放置。阶梯形金属片(45)与金属片(43)垂直相接，阶梯形金属片(46)与金属片(44)垂直相接，阶梯形金属片(45)和阶梯形金属片(46)关于第2中轴线中心对称。
5.根据权利要求1所述的一种方向图电调圆极化偶极子天线，其特征在于，中心馈电端口(6)包括金属圆柱体(61)和金属圆柱体(62)，金属圆柱体(61)与方形PCB板(5)前面表面地板(71)相接，金属圆柱体(62)与方形PCB板(5)后面表面地板(72)相接。两个金属圆柱体(61)和(62)前后相连，呈阶梯状排列，圆柱的中轴线与方形PCB板(5)的中轴线重合。
6.根据权利要求1所述的一种方向图电调圆极化偶极子天线，其特征在于，四对方形贴片(17)、(18)、(19)、(110)分别位于介质片(81)上，将介质片(81)均匀分成五个部分；方形贴片(17)间的狭缝由电控开关(111)连接，方形贴片(18)间的狭缝由电控开关(112)连接，方形贴片(19)间的狭缝由电控开关(113)连接，方形贴片(110)间的狭缝由电控开关(114)连接；
四对方形贴片(27)、(28)、(29)、(210)分别位于介质片(82)上，将介质片(82)均匀分成五个部分；方形贴片(27)间的狭缝由电控开关(211)连接，方形贴片(28)间的狭缝由电控开关(212)连接，方形贴片(29)间的狭缝由电控开关(213)连接，方形贴片(210)间的狭缝由电控开关(214)连接；
四对方形贴片(37)、(38)、(39)、(310)分别位于介质片(83)上，将介质片(83)均匀分成五个部分；方形贴片(37)间的狭缝由电控开关(311)连接，方形贴片(38)间的狭缝由电控开关(312)连接，方形贴片(39)间的狭缝由电控开关(313)连接，方形贴片(310)间的狭缝由电控开关(314)连接；
四对方形贴片(47)、(48)、(49)、(410)分别位于介质片(84)上，将介质片(84)均匀分成五个部分；方形贴片(47)间的狭缝由电控开关(411)连接，方形贴片(48)间的狭缝由电控开关(412)连接，方形贴片(49)间的狭缝由电控开关(413)连接，方形贴片(410)间的狭缝由电控开关(414)连接。
7.根据权利要求6所述的一种方向图电调圆极化偶极子天线，其特征在于，所有电控开关的阴极均与-y轴方向的方形贴片相连，-y轴方向的方形贴片通过直流导线与直流电源的负极连接，给所有电控开关的阴极提供0V电压；电容的阳极均与+y轴方向的方形贴片相连，+y轴方向的方形贴片通过直流馈线与直流电源的正极连接，给所有电控开关的阳极提供3V电压。
8.根据权利要求7所述的一种方向图电调圆极化偶极子天线，其特征在于，第一天线单元(1)的四个电控开关由同一直流电源控制，第二天线单元(2)的四个电控开关由同一直流电源控制，第三天线单元(3)的四个电控开关由同一直流电源控制，第四天线单元(4)的电四个电控开关由同一直流电源控制。
9.根据权利要求6所述的一种方向图电调圆极化偶极子天线，其特征在于，在方形PCB板的背面有28个电容通过直流电缆相连，这些电容用来隔离直流电容以及提高四个天线单元电控开关通断的独立性。
10.根据权利要求6所述的一种方向图电调圆极化偶极子天线，其特征在于，所述的电控开关为二极管，二极管的阴极接+y方向的方形贴片，二极管的阴极接-y方向的方形贴片。
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