CN107887694B - 一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线 - Google Patents

一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线，包括第一介质板、第二介质板、八边形金属贴片、八边形金属环、菱形寄生金属贴片、金属地板、带有液晶材料的可重构功分移相器。第二介质板位于第一介质板下方，且第二介质板的上表面与第一介质板的下表面相重合。第二介质板中的带有液晶材料的可重构功分移相器用于增强天线在不同可重构频率下的极化调节能力。本发明可以实现天线频率、极化和方向图的独立可重构，并通过控制偏置电压调节液晶材料的介电常数，对不同可重构频率下的天线极化特性进行调节，改善圆极化性能，进而增强天线的极化可重构能力，使天线能在不同频段、不同极化方式和不同辐射指向间进行灵活变换。

Description

一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图 独立可重构贴片天线
技术领域
本发明涉及一种频率/极化/方向图独立可重构天线，特别是涉及一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线。
背景技术
为了实现现代通信向着大容量、多功能、超宽带的方向发展，20世纪60年代提出了可重构天线的概念，并在近年发展中成为天线研究领域的热点，许多新的设计方法及天线模型被提出。
可重构是指天线的工作频率、极化状态、方向图形状等性能参数是可以根据实际情况灵活可变的，而非固定的。它主要是通过调整状态可变器件，实现天线性能的可重构。可重构天线按功能可分为频率可重构天线、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数混合可重构天线。通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、方向图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构，这样可以通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式，有利于实现对信号的有效收发。
混合可重构天线是指对天线的工作频率、极化方式和辐射方向图分别具有独立调节能力的天线。这种在单一天线上实现多种重构功能并且互不干扰将大大增加设计难度，但这种混合方式的可重构使天线变得更加多功能化，进一步提升其在无线通信系统的作用，提高通信系统的性能。
根据目前检索发现，2012年，马德里理工大学的Palomino等人设计了一种基于液晶的多谐振单元用于可重构反射阵天线，反射阵单元以液晶作为介质基板。2013年，伦敦玛丽女王大学的Aboufoul等人设计了一种方向图和频率混合可重构超宽带单极子天线，以3个PIN二极管作为开关，频率可从超宽带工作模式切换到窄带工作模式，并可实现3个不同方向图的可重构，其紧密、简易、灵活的特性符合认知无线电设备日益增长的需求。2014年，圣地亚哥州立大学的Babakhani等人设计了一种极化和频率混合可重构的双模圆形微带贴片天线，通过调节变容二极管可实现谐振频率从1.19-1.58GHz可重构，通过适当激励4个馈电端口，可实现四种不同的极化可重构。同年，伦敦玛丽女王大学的Aboufoul等人在原有工作的基础上，又设计了一种频率、方向图和极化混合可重构的平面超宽带天线，该天线通过控制PIN二极管的通断以及直流偏置电压，可以实现上述3种电磁参数的混合可重构，并因此可为智能无线应用提供灵活的无线电发射前端。目前尚未见到将液晶材料用于增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：提供一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线，以实现天线频率、极化和方向图的独立可重构，并通过控制偏置电压调节液晶材料的介电常数，对不同可重构频率下的天线极化特性进行调节，改善圆极化/线极化性能，进而增强天线的极化可重构能力，使天线能在不同频段、不同极化方式和不同辐射指向间进行灵活变换。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线，该天线至少包括：
第一介质板、第二介质板、八边形金属贴片、八边形金属环、菱形寄生金属贴片、金属地板、带有液晶材料的可重构功分移相器；
所述的第二介质板位于第一介质板下面，且紧贴第一介质板，所述的第二介质板中的带有液晶材料的可重构功分移相器用于增强不同可重构频率下的极化调节能力；
所述的八边形金属贴片、八边形金属环、菱形寄生金属贴片位于第一介质板的上表面，金属地板印刷在第二介质板的上表面，带有液晶材料的可重构功分移相器位于第二介质板的下表面。
进一步的，所述的八边形金属贴片在八边形金属环中，所述的八边形金属贴片中心带有十字槽，以实现小型化目的；在八边形金属贴片中心沿45°和135°方向上各有一个金属化过孔，两个金属化过孔中心到八边形金属贴片中心的距离相同，且直通至第二介质板的下表面，金属地板在金属化过孔的位置上带有隔离环；所述的八边形金属环位于八边形金属贴片外侧，八边形金属环的8个顶点与八边形金属贴片的8个顶点之间跨接有8个变容二极管；在八边形金属贴片外围沿45°、135°、225°和315°方向上各有一条频率可重构偏置线，与八边形金属贴片的顶点通过电感相连，实现对变容二极管的偏压控制；通过控制变容二极管两端电压，调节变容二极管的电容值，进而实现天线频率可重构。
进一步的，所述的菱形寄生金属贴片共4个，分别位于八边形金属环外侧0°、90°、180°和270°方向上，菱形寄生金属贴片的一个顶点与八边形金属环的一个顶点相对，任意一个菱形寄生金属贴片绕八边形金属贴片中心旋转可得其它三个菱形寄生金属贴片；在菱形寄生金属贴片内靠近八边形金属贴片一侧有一字槽，一字槽垂直并中心对称于菱形寄生金属贴片的长对角线，槽的两端跨接有PIN二极管；在菱形寄生金属贴片的长对角线两侧等距位置各有一条细缝，细缝两端跨接有电容,细缝从槽边缘向远离八边形金属贴片中心的方向延伸至菱形寄生金属贴片边缘，将菱形寄生金属贴片分割为两部分，分别有两条方向图可重构偏置线与菱形寄生金属贴片两部分通过电感相连，实现对PIN二极管的偏压控制；通过控制PIN二极管的通断，改变菱形寄生金属贴片和八边形金属贴片上的感应电流分布，进而实现天线方向图可重构。
进一步的，所述的带有液晶材料的可重构功分移相器的合路传输线与天线输入端口传输线之间通过隔直电容相连；两个支路端口传输线外侧各有一条相位延迟线，位于液晶材料的封装玻璃下表面，并与贴片激励端口传输线以及支路传输线两两之间通过PIN二极管相连；两条相位延迟线的外侧、贴片激励端口传输线的外侧以及与其同侧的支路传输线的外侧均通过电感与极化可重构偏置线相连，实现对PIN二极管的偏压控制；贴片激励端口传输线通过2个金属探针与八边形金属贴片相连；通过控制PIN二极管的通断，可以改变带有液晶材料的可重构功分移相器的两个支路端口传输线的插入相移，实现左旋圆极化和右旋圆极化之间的切换，达到极化可重构的目的；通过控制液晶材料两侧的偏置电压，对液晶材料的介电常数进行调节，进而对相位延迟线的插入相移进行微调，进一步优化天线圆极化性能，增强天线极化可重构能力。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出了一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线，通过调节其八边形金属贴片上的变容二极管两端的电压，可实现频率可重构。
(2)本发明提出的一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线，通过控制其菱形寄生金属贴片上的PIN二极管的通断，可实现方向图可重构。
(3)本发明提出的一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线，通过控制带有液晶材料的可重构功分移相器上的PIN二极管的通断，可实现极化可重构。
(4)本发明提出的一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线，通过改变液晶材料两侧的偏置电压，对液晶材料的介电常数进行调节，进而对相位延迟线的插入相移进行微调，进一步优化天线圆极化性能，增强天线极化可重构能力。可增强天线极化可重构能力。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的侧视示意图；
图2为本发明较佳实施例的第一介质板上表面俯视示意图；
图3为本发明较佳实施例的第二介质板上表面俯视示意图；
图4为本发明较佳实施例的第二介质板下表面俯视示意图；
图5为本发明较佳实施例的关于极化可重构的极化方向图仿真数据图；
图6为本发明较佳实施例的关于频率可重构的天顶增益随频率变化仿真数据图；
图7为本发明较佳实施例的关于方向图可重构的增益方向图仿真数据图；
图8为本发明较佳实施例的关于控制液晶材料优化天线轴比仿真数据图。
其中，附图标记：
101：第一介质板
102：第二介质板
103：金属化过孔
104：液晶材料
105：封装玻璃
201：八边形金属贴片
202：八边形金属环
203：菱形寄生金属贴片
204：十字槽
205：变容二极管
206：频率可重构偏置线
207：电感
208：一字槽
209：细缝
210：电容
211：方向图可重构偏置线
S1、S2、S3、S4：方向图可重构PIN二极管
301：金属地板
302：隔离环
401：带有液晶材料的可重构功分移相器
402：合路传输线
403：天线输入端口传输线
404：隔直电容
405：支路传输线
406：相位延迟线
407：贴片激励端口传输线
408：电感
409：极化可重构偏置线
410：金属探针
S11、S12、S21、S22、S31、S32：极化可重构PIN二极管
H1：第一介质板厚度
H2：第二介质板厚度
L1：第一介质板边长
L2：第二介质板边长
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，其为本发明较佳实施例的侧视示意图。第一介质板101边长L1为180mm，板厚H1为4.5mm；第二介质板102边长L2为200mm，板厚H2为1.5mm。
第二介质板102位于第一介质板101下方，且第二介质板102的上表面与第一介质板101的下表面相重合，金属化过孔103关于两块介质板的中心对称分布，距中心±45°方向6mm，贯穿两块介质板,第二介质板102中的极化可重构增强区域带有液晶材料104，由封装玻璃105进行封装。
如图2所示，其为本发明较佳实施例的第一介质板上表面俯视示意图。八边形金属贴片201、八边形金属环202、菱形寄生金属贴片203位于第一介质板101的上表面。八边形金属贴片201边长为18.4mm，中心带有十字槽204，槽宽为0.5mm，槽长为22mm，在八边形金属贴片201中心沿45°和135°方向上各有一个金属化过孔103，直径为0.2mm，两个金属化过孔103中心到八边形金属贴片201中心的距离相同，距离为6mm。八边形金属环202位于八边形金属贴片201外侧，八边形金属环202的8个顶点与八边形金属贴片201的8个顶点之间跨接有8个变容二极管205。在八边形金属贴片201外侧沿45°、135°、225°和315°方向上各有一条频率可重构偏置线206，与八边形金属贴片201的顶点通过电感207相连。
菱形寄生金属贴片203共4个，边长为30mm，分别位于八边形金属环202外侧0°、90°、180°和270°方向上，菱形寄生金属贴片203的一个顶点与八边形金属环202的一个顶点相对，任意一个菱形寄生金属贴片203绕八边形金属贴片201中心旋转可得其它三个菱形寄生金属贴片203。在菱形寄生金属贴片203内靠近八边形金属贴片201一侧有一字槽208，槽宽为2.6mm，槽长为19.5mm，一字槽208垂直并中心对称于菱形寄生金属贴片203的长对角线，一字槽208的两端跨接有PIN二极管S1。在菱形寄生金属贴片203的长对角线两侧等距位置各有一条细缝209，缝宽为0.3mm，细缝209两端跨接有电容210，细缝209从一字槽208边缘向远离八边形金属贴片201中心的方向延伸至菱形寄生金属贴片203边缘，将菱形寄生金属贴片203分割为两部分，分别有两条方向图可重构偏置线211菱形寄生金属贴片203两部分通过电感207相连。
如图3所示，其为本发明较佳实施例的第二介质板上表面俯视示意图。金属地板301分布于第二介质板102的整个上表面，金属地板301在金属化过孔103外围带有隔离环302。
如图4所示，其为本发明较佳实施例的第二介质板下表面俯视示意图。带有液晶材料的可重构功分移相器401位于第二介质板102下表面，合路传输线402与天线输入端口传输线403之间通过隔直电容404相连，电容值为8pF。两个支路传输线405外侧各有一条相位延迟线406，线长28.8mm，线宽3.8mm。位于液晶材料104的封装玻璃105的下表面，并与贴片激励端口传输线407以及支路传输线405两两之间通过PIN二极管S11、S12、S21、S22、S31、S32相连。两条相位延迟线406的外侧、贴片激励端口传输线407的外侧以及与其同侧的支路传输线405的外侧均通过电感408与极化可重构偏置线409相连，电感值为47nH。贴片激励端口传输线407通过2个金属探针410对八边形金属贴片201进行馈电。
如图5所示，其为本发明较佳实施例的关于极化可重构的极化方向图仿真数据图。当带有液晶材料的可重构功分移相器401上的PIN二极管S12、S22、S31导通，其余断开时，天线工作于左旋圆极化；反之，则天线工作于右旋圆极化。由此可知，控制带有液晶材料的可重构功分移相器401上PIN二极管S11、S12、S21、S22、S31、S32的通断状态可使天线在1.995GHz实现极化可重构，主极化增益为9dB，交叉极化为-30dB。
如图6所示，其为本发明较佳实施例的关于频率可重构的增益方向图仿真数据图。当八边形金属贴片201上的变容二极管205的电容在2-10pF变化时，天线可在1.980-2.065GHz的频带上实现频率可重构，带宽为85MHz。
如图7所示，其为本发明较佳实施例的关于方向图可重构的增益方向图仿真数据图。当菱形寄生金属贴片203上的PIN二极管S1-S4导通时，天线方向图增益最大点指向为0°，增益为7.7dB；当菱形寄生金属贴片203上的PIN二极管S1断开，其余导通时，天线方向图主波束指向为+13°，增益为7.7dB；当菱形寄生金属贴片203上的PIN二极管S2断开，其余导通时，天线方向图主波束指向为-13°，增益为7.8dB。由此可知，通过控制菱形寄生金属贴片203上的PIN二极管S1-S4的通断状态，可实现天线方向图可重构。
如图8所示，其为本发明较佳实施例的关于液晶优化天线轴比仿真数据图。天线工作频率1.995GHz，天线方向图主波束指向+13°。通过调节液晶材料104的偏置电压，使液晶的介电常数在2-3变化，最大可实现46°相移变化，从而可使相位延迟线406在不同频率下的提供可变相移，达到改善轴比的作用。当液晶介电常数为2.36时，轴比最小，为1.28dB，此时天线圆极化性能最好。
由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为：可以实现天线频率、极化和方向图的独立可重构，通过控制偏置电压调节液晶材料的介电常数，对不同可重构频率下的天线极化特性进行调节，改善圆极化性能，进而增强天线的极化可重构能力，使天线能在不同频段、不同极化方式和不同辐射指向间进行灵活变换。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线，其特征在于：包括：
第一介质板、第二介质板、八边形金属贴片、八边形金属环、菱形寄生金属贴片、金属地板、带有液晶材料的可重构功分移相器；
所述的第二介质板位于第一介质板下方，且第二介质板的上表面与第一介质板的下表面相重合，所述的第二介质板中的带有液晶材料的可重构功分移相器用于增强不同可重构频率下的极化调节能力；
所述的八边形金属贴片、八边形金属环、菱形寄生金属贴片位于第一介质板的上表面，金属地板位于第二介质板的上表面，带有液晶材料的可重构功分移相器位于第二介质板的下表面；
所述的八边形金属贴片在八边形金属环中，所述的八边形金属贴片中心带有十字槽，以实现小型化的目的；在八边形金属贴片中心沿45°和135°方向上各有一个金属化过孔，两个金属化过孔中心到八边形金属贴片中心的距离相同，且直通至第二介质板的下表面，金属地板在金属化过孔的位置上带有隔离环；所述的八边形金属环位于八边形金属贴片外侧，八边形金属环的8个顶点与八边形金属贴片的8个顶点之间跨接有8个变容二极管；在八边形金属贴片外围沿45°、135°、225°和315°方向上各有一条频率可重构偏置线，与八边形金属贴片的顶点通过电感相连，实现对变容二极管的偏压控制；通过控制变容二极管两端电压，调节变容二极管的电容值，进而实现天线频率可重构；
所述的菱形寄生金属贴片中，所述菱形寄生金属贴片共4个，分别位于八边形金属环外侧0°、90°、180°和270°方向上，菱形寄生金属贴片的一个顶点与八边形金属环的一个顶点相对，任意一个菱形寄生金属贴片绕八边形金属贴片中心旋转可得其它三个菱形寄生金属贴片；在菱形寄生金属贴片内靠近八边形金属贴片一侧有一字槽，一字槽垂直并中心对称于菱形寄生金属贴片的长对角线，槽的两端跨接有PIN二极管；在菱形寄生金属贴片的长对角线两侧等距位置各有一条细缝，细缝两端跨接有电容，细缝从槽边缘向远离八边形金属贴片中心的方向延伸至菱形寄生金属贴片边缘，将菱形寄生金属贴片分割为两部分，分别有两条方向图可重构偏置线与菱形寄生金属贴片两部分通过电感相连，实现对PIN二极管的偏压控制；通过控制PIN二极管的通断，改变菱形寄生金属贴片和八边形金属贴片上的感应电流分布，进而实现天线方向图可重构；
所述的带有液晶材料的可重构功分移相器中，所述的带有液晶材料的可重构功分移相器的合路传输线与天线输入端口传输线之间通过隔直电容相连；两个支路传输线外侧各有一条相位延迟线，位于液晶材料的封装玻璃下表面，并与贴片激励端口传输线以及支路传输线两两之间通过PIN二极管相连；相位延迟线的外侧、贴片激励端口传输线的外侧以及与其同侧的支路传输线的外侧均通过电感与极化可重构偏置线相连，实现对PIN二极管的偏压控制；贴片激励端口传输线通过2个金属探针对八边形金属贴片进行馈电；通过控制PIN二极管的通断，可以改变带有液晶材料的可重构功分移相器的两个支路传输线的插入相移，实现左旋圆极化和右旋圆极化之间的切换，达到极化可重构的目的；通过控制液晶材料两侧的偏置电压，对液晶材料的介电常数进行调节，进而对相位延迟线的插入相移进行微调，进一步优化天线圆极化性能，增强天线极化可重构能力。
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