CN107834168A - 一种锥笔状波束可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种锥笔状波束可重构天线，包括柱面共形阵列(1)、锥削式介质棒天线(2)和单刀双掷SPDT开关(3)，所述单刀双掷SPDT开关(3)两端各通过一SMA接头(4)与柱面共形阵列(1)和锥削式介质棒天线(2)相连。本发明的锥笔状波束可重构天线，结构简单、灵活性好、波束可切换、辐射效率高。

Description

一种锥笔状波束可重构天线

技术领域

本发明属于无线通信天线技术领域，特别是一种波束可切换、辐射效率高的锥笔状波束可重构天线。

背景技术

随着无线通信系统的飞速发展，天线，作为发射或接受电磁波的部分，起到越来越举足轻重的地位，同时时代对天线的要求也越来越高。为了实现无线通信系统向着大容量、多功能、超宽带的方向发展，可重构天线的概念被提出并达到了广泛的研究与发展。

1983年，D.Schaubert首次在其专利中提出“可重构天线”，1999年美国国防部高级研究计划署组织的12家著名的大学、研究所和公司，制定实施了“可重构孔径”(reconfigurable aperture program)的研究计划，随着高性能的微波PIN开关、微电子机械(MEMS)开关和电抗元件技术的发展，可重构天线迅猛发展。由于可重构天线释放出了新的设计自由度，极大地扩展了传统天线及阵列设计解空间，为提升天线及阵列特性提供了巨大潜能，加上集成开关和变容二极管等状态可控器件的迅猛发展，尤其是方向图可重构天线的研究成为当前科研的热点。方向图可重构天线可以保持工作频率不变，灵活地改变方向图，它能够通过波束切换使得单元波束以高增益优势连续覆盖全空间或者准全空间，在无线通信、雷达系统和高速飞行器载天线等民用和军事等领域具有广阔的应用前景。

中国发明专利申请“一种多角度主波束指向可重构的平面微带天线”(申请号：201310641951.2，申请日：2013.12.03)公开了一种多角度主波束指向可重构的平面微带天线，这是一种具有五个主波束辐射方向的天线，包括带馈电输入口的绝缘基板及设于基板底面的接地金属板、设于基板上表面的引向振子及驱动振子。驱动振子为基本驱动振子与可调驱动振子垂直交叉而成的“十”字型驱动振子，交叉点为馈电点，四组引向振子分别位于驱动振子的四个夹角内，每组引向振子由两条平行的且中间设有开关的金属条构成，金属接地板为一个与驱动振子对应的“十”字型接地板。

虽然该天线具有五个主波束辐射方向、各个工作状态稳定等优点，但是该天线存在以下问题：1、该天线结构复杂，波束控制稳定性差，需要投入成本较高；2、该天线的辐射效率不高，带宽极窄，导致天线性能变差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锥笔状波束可重构天线，结构简单、灵活性好、波束可切换、辐射效率高。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种锥笔状波束可重构天线，包括柱面共形阵列1、锥削式介质棒天线2和单刀双掷SPDT开关3，所述单刀双掷SPDT开关3两端各通过一SMA接头4与柱面共形阵列1和锥削式介质棒天线2相连。

优选地，所述柱面共形阵列1包括正十二边形金属柱13、12条长缝漏波天线11和6组π型馈电波导12，每组π型馈电波导12的馈电端口与二条相邻的长缝漏波天线11相连，所述12条长缝漏波天线11与6组π型馈电波导12共同形成环绕在金属柱13外侧的圆筒；所述π型馈电波导12的每对馈电端口并联后通过SMA接头4与单刀双掷SPDT开关3一端相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、结构简单：由HMC1118通用SPDT开关控制切换柱面共形天线和锥削式介质棒天线的波束，灵活性好。开关采用LFCSP贴片式封装，提供了高隔离度和低插入损耗，可以将锥状波束与笔状波束灵活地转变，更加适用于雷达侦察系统。

2、辐射效率高：假定N＝20，利用MATLAB编程和其自带的遗传算法工具箱，应用数值优化算法，且根据串馈阵和行波阵的综合原理，根据公式编程得出各点的偏移量，形成长缝。通过优化泄漏常数分布，且增大缝宽，优化出满足天线辐射效率的衰减常数，使其能够在有限长度内泄露更多的能量，完成电磁能量的辐射。

3、增益纹波小于3dB：多组试验等距离围绕正n边形金属柱围成一圈，通过HFSS仿真优化得到多边形n和增益纹波的关系图，确定多边形的个数从而更好地优化柱面共形全向天线的全向方向图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明锥笔状波束可重构天线的三维结构示意图。

图2是图1中馈电波导的结构示意图。

图3是图1中馈电网络的结构尺寸示意图。

图4是图3的剖视图。

图5是图1中柱面共形阵列的右视结构尺寸示意图。

图6是图1中长缝漏波天线的俯视尺寸示意图。

图7是图1中长缝漏波天线的左视尺寸示意图。

图8是图1中锥削式介质棒天线的结构示意图。

图9是实施例中单个长缝漏波天线的E面、H面方向图。

图10是实施例中柱面共形阵列天线的全向方向图。

图11是实施例中柱面共形阵列天线的回波损耗与频率的关系图。

图12是实施例中锥削式介质棒天线的E面、H面方向图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种锥笔状波束可重构天线，包括柱面共形阵列1、锥削式介质棒天线2和单刀双掷SPDT开关3，所述单刀双掷SPDT开关3两端各通过一SMA接头4与柱面共形阵列1和锥削式介质棒天线2相连。

所述柱面共形阵列1包括正十二边形金属柱13、12条长缝漏波天线11和6组π型馈电波导12，每组π型馈电波导12的馈电端口与二条相邻的长缝漏波天线11相连，所述12条长缝漏波天线11与6组π型馈电波导12共同形成环绕在金属柱13外侧的圆筒；

所述π型馈电波导12的每对馈电端口并联后通过SMA接头4与单刀双掷SPDT开关3一端相连。

如图2所示，所述每组π型馈电波导12包括可调金属柱121、可调耦合窗122和金属膜片123；

可调金属柱121置于每组π型馈电波导12内部，靠近短路金属壁；可调耦合窗122置于π型馈电波导12和长缝漏波天线11中间，约在相邻的两条长缝漏波天线11的中心位置；金属膜片123置于每组两条长缝漏波天线11的中间，靠近π型馈电波导12的一端，与相对应的可调耦合窗122相连。

图3是由6组π型馈电波导12组成的馈电网络的结构尺寸示意图。

作为实施例，在柱面共形阵列天线1中，如图5所示，正十二边形金属柱近似圆柱13半径R＝36mm。多组试验等距离围绕正n边形金属柱围成一圈，通过HFSS仿真优化得到多边形n和增益纹波的关系图，确定多边形的个数从而更好地优化柱面共形全向天线的全向方向图，n的增大对应着金属柱近似圆柱半径的增大，因此R的大小决定着增益纹波的大小，实现增益纹波小于3dB的功能。

馈电网络决定着一个天线的性能和阻抗匹配，由6组π型馈电波导12也围绕正十二边形金属柱13围成一圈组成，连接部分用不规则波导相连，包含金属柱121、耦合窗口122及膜片123，并在最后一对馈电波导的末端短路处加倒角处理，从而实现对柱面共形阵列天线1的等幅同相馈电及阻抗匹配。

如图4所示，整个馈电波导12的宽度为a1＝22.5mm；6个可调金属柱121的直径均为d1＝2mm；偏离位置p1＝3mm，p2＝3mm，p3＝3mm，p4＝3mm，p5＝3mm，p6＝5.1mm；q1＝3.5mm，q2＝4mm，q3＝4mm，q4＝5.3mm，q5＝6mm，q6＝11mm；可调耦合窗122的宽度w1＝8mm，w2＝8.5mm，w3＝10.3mm，w4＝11mm，w5＝12.5mm，w6＝16mm，分别偏移off1＝0.4mm，off2＝0.4mm，off3＝0.4mm，off4＝0.5mm，off5＝0.5mm，off6＝0.4mm；金属膜片123的长度h1＝13.3mm，h2＝12.8mm，h3＝12.8mm，h4＝12.5mm，h5＝11.6mm，h6＝11mm。

如图6所示，所述长缝漏波天线11的功率分布曲线类似正弦曲线。

图7是长缝漏波天线的左视尺寸示意图。

优选地，如图6、7所示，所述长缝漏波天线11的波导结构参数为宽度a＝17.5mm，高度b＝7mm，总长L＝285.62mm。

所述长缝漏波天线11中采用功率分布曲线类似于正弦曲线的长缝波导缝隙天线作为辐射单元，天线辐射效率不低于95％。假定N＝20，利用MATLAB编程和其自带的遗传算法工具箱，应用数值优化算法，且根据串馈阵和行波阵的综合原理，根据公式编程得出各点的偏移量，形成长缝。通过优化泄漏常数分布，且增大缝宽，优化出满足天线辐射效率的衰减常数，使其能够在有限长度内泄露更多的能量，完成电磁能量的辐射。

作为实施例，波导的结构参数为：

宽度a＝17.5mm，高度b＝7mm，总长L＝285.62mm。两点之间等间距均为dd＝13.5mm，偏离波导中心轴线量分别为off1＝0.5mm，off2＝0.7mm，off3＝0.9mm，off4＝1.3mm，off5＝1.6mm，off6＝1.9mm，off7＝2.3mm，off8＝2.8mm，off9＝3.1mm，off10＝3.3mm，off11＝3.5mm，off12＝3.8mm，off13＝4mm，off14＝4.1mm，off15＝4.4mm，off16＝4.2mm，off17＝3.8mm，off18＝3.2mm，off19＝2.4mm，off20＝2.2mm，长缝宽度width＝1mm，长缝高度h＝0.3mm。

作为一种优选方案，

如图1所示，所述金属柱13为中空结构，所述锥削式介质棒天线2置于所述金属柱13的中空结构内，锥削式介质棒天线2与金属柱13的轴线重合。

作为另一种优选方案，

所述锥削式介质棒天线2与金属柱13相互分离。

如图8所示，所述锥削式介质棒天线2包括一个圆波导和一个锥削式Teflon棒体，通过SMA接头4与单刀双掷SPDT开关3的另一端相连。

圆波导工作在主模TE₁₁，直径d＝10mm，波导长L1＝100mm；锥削式介质棒分为三段，其中靠近馈电端口的一段长L1＝40mm，中间一段L2＝23mm，最末端的一段L3＝40mm。

优选地，所述单刀双掷SPDT开关3控制切换柱面共形阵列1和锥削式介质棒天线2的波束，涵盖9kHz至13GHz范围，采用LFCSP贴片式封装。

图9是由HFSS仿真软件得到的长缝漏波天线11在中心频率为10GHz的2D辐射方向图，由图可见得到一个锥状波束，最大辐射方向为25°是主波束与圆柱轴线的垂直方向之间形成的角度，偏向负载一侧，单个辐射单元的增益为15.26dB，3dB波束宽带为9°。

图10、11分别是利用HFSS仿真软件得到的柱面共形阵列1在中心频率为10GHz的2D辐射方向图和回波损耗图，加上馈电网络12后，天线工作在10GHz的增益为12.65dB，最大辐射角度为63°是主波束与圆柱轴线之间形成的角度，此时增益纹波小于3dB，大约是2.6dB，柱面共形阵列1最佳由12条长缝漏波天线11。反射系数在中心工作频率10GHz处是-25.6dB，VSWR<2时的阻抗带宽在9.85GHz-10.1GHz之间，达到2.7％。

图12是由HFSS仿真软件得到的锥削式介质棒天线2在中心频率为10GHz的2D辐射方向图，获得一个端射辐射方向图偏向负载一侧，最大波束指向90°，其增益与柱面共形阵列天线1的增益相同，约为12.66dB。

Claims (9)

1.一种锥笔状波束可重构天线，其特征在于：

包括柱面共形阵列(1)、锥削式介质棒天线(2)和单刀双掷SPDT开关(3)，所述单刀双掷SPDT开关(3)两端各通过一SMA接头(4)与柱面共形阵列(1)和锥削式介质棒天线(2)相连。

2.根据权利要求1所述的锥笔状波束可重构天线，其特征在于：

所述柱面共形阵列(1)包括正十二边形金属柱(13)、12条长缝漏波天线(11)和6组π型馈电波导(12)，每组π型馈电波导(12)的馈电端口与二条相邻的长缝漏波天线(11)相连，所述12条长缝漏波天线(11)与6组π型馈电波导(12)共同形成环绕在金属柱(13)外侧的圆筒；

所述π型馈电波导(12)的每对馈电端口并联后通过SMA接头(4)与单刀双掷SPDT开关(3)一端相连。

3.根据权利要求2所述的锥笔状波束可重构天线，其特征在于：

所述每组π型馈电波导(12)包括可调金属柱(121)、可调耦合窗(122)和金属膜片(123)；

可调金属柱(121)置于每组π型馈电波导(12)内部，靠近短路金属壁；可调耦合窗(122)置于π型馈电波导(12)和长缝漏波天线(11)中间，约在相邻的两条长缝漏波天线(11)的中心位置；金属膜片(123)置于每组两条长缝漏波天线(11)的中间，靠近π型馈电波导(12)的一端，与相对应的可调耦合窗(122)相连。

4.根据权利要求2所述的锥笔状波束可重构天线，其特征在于：

所述长缝漏波天线(11)的功率分布曲线类似正弦曲线。

5.根据权利要求4所述的锥笔状波束可重构天线，其特征在于：

所述长缝漏波天线(11)的波导结构参数为宽度a＝17.5mm，高度b＝7mm，总长L＝285.62mm。

6.根据权利要求1至5之一所述的锥笔状波束可重构天线，其特征在于：

所述金属柱(13)为中空结构，所述锥削式介质棒天线(2)置于所述金属柱(13)的中空结构内，锥削式介质棒天线(2)与金属柱(13)的轴线重合。

7.根据权利要求1至5之一所述的锥笔状波束可重构天线，其特征在于：

所述锥削式介质棒天线(2)与金属柱(13)相互分离。

8.根据权利要求1至5之一所述的锥笔状波束可重构天线，其特征在于：

所述锥削式介质棒天线(2)包括一个圆波导和一个锥削式Teflon棒体，通过SMA接头(4)与单刀双掷SPDT开关(3)的另一端相连。

9.根据权利要求1至5之一所述的锥笔状波束可重构天线，其特征在于：

所述单刀双掷SPDT开关(3)控制切换柱面共形阵列(1)和锥削式介质棒天线(2)的波束，涵盖9kHz至13GHz范围，采用LFCSP贴片式封装。