CN107887712B - 一种多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种米字型结构的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线，属于微波天线技术领域。本发明由16个辐射单元组成，呈米字型分布，其中，每四个辐射单元为一组，工作在同一频段，共有四个工作频段，且依据该发明可以拓展到更多的工作频段。工作在同一个频段的四个辐射单元共同实现一个旋向的圆极化，每相邻两个频段的圆极化旋向相反。本发明提供的方案能在紧邻的频段上实现旋向相反的圆极化，且通过引入开关，能进一步实现左右旋圆极化的可重构。本发明可用于卫星通信、民用通信系统以及其他微波通信系统中。

Description

一种多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线。
背景技术
天线作为接收和发送无线电波的基本装置，是无线通信系统必不可少的组成部分。圆极化天线通常应用于车载通信系统、机载以及卫星通信中。近年来，由于无线通信系统小型化以及高集成度的发展需求，如何在有限空间内集成更多不同工作频段的天线进而提升通信容量成为难题。虽然有很多方案可以实现多频天线，但它们往往是相同的极化方式，这会导致不同频段之间的相互干扰，尤其是当工作频段邻近时。因此，如何在有限空间内实现多频段且极化方式不同的天线成为当前无线通信的挑战。
文献“Dual-Band Circularly Polarized Split Ring Resonators LoadedSquare Slot Antenna(Krishnamoorthy Kandasamy,Basudev Majumder,JayantaMukherjee,and Kamla Prasan Ray.IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,2016:3640-3645)”提出了一种在槽天线馈线端加载两个开口谐振环(SRR)的方式实现双频圆极化，但两个圆极化的极化方式相同。该方案的不足在于不能实现两个旋向相反的圆极化，且难于拓展到更多的工作频段。
文献“CPW-Fed Dual-Band Dual-Sense Circularly Polarized MonopoleAntenna(Rohit Kumar Saini,Santanu Dwari,Mrinal Kanti Mandal.IEEE ANTENNAS ANDWIRELESS PROPAGATION LETTERS,2017:2497-2500)”提出了一种基于共面波导的双频双圆极化天线，该天线实现了相邻两个频段的左右旋圆极化，但在工作频段内的轴比性能有待进一步改善，且也很难进一步拓展到更多的工作频段。
文献“Dual-Band and Dual-Circularly Polarized Single-Layer MicrostripArray Based on Multiresonant Modes(Jin-Dong Zhang,Lei Zhu,Neng-Wu Liu,Wen Wu,IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,2017:1428-1433)”提出了一种阵列形式的双频双圆极化天线，且两个频段的圆极化旋向相反。该天线的两个工作频段相隔较大，也难于拓展到更多的工作频段上去，且由于结构的限制，该天线也难于实现两个工作频段上圆极化状态的相互切换。
目前，已有相关研究报到了双频双圆极化天线，总体而言，这些报道的结果要么两个工作频段相隔较远，要么难于进一步拓展为更多的工作频段，且不能实现不同极化状态间的彼此切换，即可重构。因此，如何实现紧邻的多个工作频段，且相邻频段间的圆极化依次交替和可重构，是微波天线技术领域富有挑战性的重要课题。
发明内容
针对现有技术和问题，本发明的目的在于提供一种多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线。
本发明上述技术问题所采用的解决方案为：
一种多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线，由十六个辐射单元构成，所有辐射单元工作于相同的线极化模式，十六个辐射单元按编号由小至大沿逆时针依次均匀分布在一个圆周上，分别记为第一辐射单元1、第二辐射单元2、第三辐射单元3、第四辐射单元4、第五辐射单元5、第六辐射单元6、第七辐射单元7、第八辐射单元8、第九辐射单元9、第十辐射单元10、第十一辐射单元11、第十二辐射单元12、第十三辐射单元13、第十四辐射单元14、第十五辐射单元15、第十六辐射单元16；其中第一辐射单元1、第五辐射单元5、第九辐射单元9和第十三辐射单元13组成第一辐射单元组，工作在中心频率为f1的第一频段；第二辐射单元2、第六辐射单元6、第十辐射单元10和第十四辐射单元14组成第二辐射单元组，工作在中心频率为f2的第二频段；第三辐射单元3、第七辐射单元7、第十一辐射单元11、第十五辐射单元15组成第三辐射单元组，工作在中心频率为f3的第三频段；第四辐射单元4、第八辐射单元8第十二辐射单元12、第十六辐射单元16组成第四辐射单元组，工作在中心频率为f4的第四频段；
所述天线的第一辐射单元1和第十六辐射单元16由第一馈源17激励，第二辐射单元2和第三辐射单元3由第二馈源18激励，第四辐射单元4和第五辐射单元5由第三馈源19激励，第六辐射单元6和第七辐射单元7由第四馈源20激励，第八辐射单元8和第九辐射单元9由第五馈源21激励，第十辐射单元10和第十一辐射单元11由第六馈源22激励，第十二辐射单元12和第十三辐射单元13由第七馈源23激励，第十四辐射单元14和第十五辐射单元15由第八馈源24激励；
所述第一馈源17、第二馈源18、第三馈源19、第四馈源20、第五馈源21、第六馈源22、第七馈源23和第八馈源24以相等幅度激励，且第一馈源17、第三馈源19、第五馈源21、第七馈源23的激励相位依次增加90°，第二馈源18、第四馈源20、第六馈源22、第八馈源24的激励相位依次减少90°；相应地，第一辐射单元组和第三辐射单元组为左旋圆极化；第二辐射单元组和第四辐射单元组为右旋圆极化；
进一步地，通过引入微波开关切换激励状态，能实现从第一辐射单元组、第二辐射单元组、第三辐射单元组和第四辐射单元组依次为右旋圆极化、左旋圆极化、右旋圆极化和左旋圆极化的辐射状态。
本发明的有益效果是：
本发明由16个辐射单元分布在同一口径面上，每四个辐射单元为一组，共有四组，在四个频段上实现左右旋依次交替的圆极化辐射且可重构；与现有技术相比，本发明不仅实现四个频段的不同圆极化，且工作频段紧邻；同时，本发明提供的方案根据需要可以拓展为更多工作频段。
附图说明
图1为本发明提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线结构示意图；
图2为本实施例提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线拓扑结构图；
图3为本实施例提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线回波特性；
图4为本实施例提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线轴比特性；
图5本实施例提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线在4.9GHz的方向图，为左旋圆极化；
图6本实施例提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线在5.2GHz的方向图，为右旋圆极化；
图7本实施例提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线在5.5GHz的方向图，为左旋圆极化；
图8本实施例提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线在5.8GHz的方向图，为右旋圆极化；
图9为结合本实施例提出的一种适用于极化可重构天线的馈电网络方案。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例的目的是实现一个工作在四个频段且邻近频段圆极化旋向相反的可重构天线。本发明提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线结构如图1所示，其中第一频段的中心频率f1＝4.9GHz，第二频段的中心频率f2＝5.2GHz，第三频段的中心频率f3＝5.5GHz，第四频段的中心频率f4＝5.8GHz，其邻近频段的中心频率比最小为1.05。第一频段和为第三频段左旋圆极化，第二频段和第四频段为右旋圆极化，且通过可重构开关切换后，第一频段和为第三频段均变为右旋圆极化，第二频段和第四频段均变为左旋圆极化。本实施例采用PCB，介质基板的相对介电常数为2.65，厚度为1.5mm。
本实施案例提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线拓扑结构如图2所示：
本实施例所述天线包括八个天线单元，八个天线单元沿着圆心O呈中心对称分布且结构相同，其中第一天线单元201和第五天线单元205水平放置，第三天线单元203和第七天线单元207垂直放置，第二天线单元202与第一天线单元201的夹角为45°，第四天线单元204与第一天线单元201的夹角为135°，第六天线单元206与第一天线单元201的夹角为-135°，第八天线单元208与第一天线单元201的夹角为-45°；
每个天线单元均包含两个辐射单元，每个辐射单元分别对应一个工作频段，其中第一辐射单元101、第五辐射单元105、第九辐射单元109和第十三辐射单元113组成第一辐射单元组，工作在中心频率为f1＝4.9GHz的第一频，段辐射单元的长度为10.8mm，宽度为0.9mm；第二辐射单元102、第六辐射单元106、第十辐射单元110和第十四辐射单元114组成第二辐射单元组，工作在中心频率为f2＝5.2GHz的第二频段，辐射单元的长度为9.88mm，宽度为0.84mm；第三辐射单元103、第七辐射单元107、第十一辐射单元111、第十五辐射单元115组成第三辐射单元组，工作在中心频率为f3＝5.5GHz的第三频段，辐射单元的长度为9.18mm，宽度为0.8mm；第四辐射单元104、第八辐射单元108第十二辐射单元112、第十六辐射单元116组成第四辐射单元组，工作在中心频率为f4＝5.8GHz的第四频段，辐射单元的长度为5.52mm，宽度为0.7mm；
每个天线单元都是一种平面单极子天线。以第一天线单元201为例进行说明，第一天线单元201包括第一馈电结构501、第一环形耦合缝403、第一金属圆环402、第一连接枝节401、第一辐射单元101和第十六辐射单元116和位于第一辐射单元101和第十六辐射单元116之间的第一缝隙301；第一环形耦合缝403的内半径为0.8mm，外半径为1.4mm；第一金属圆环402的内半径为1.4mm，外半径为2.6mm；第一连接枝节401连接第一金属圆环402、第一辐射单元101和第十六辐射单元116，其长度为1.5mm，宽度为1.4mm；第一缝隙301的缝宽为0.4mm；第一连接枝节401、第一金属圆环402和第一环形耦合缝403共同决定辐射单元的阻抗匹配；第一辐射单元101和第十六辐射单元116直接决定第一天线单元201的两个工作频段；
位于第二辐射单元102和第三辐射单元103之间的第二缝隙302的缝宽为0.6mm；
第一馈电结构501、第二馈电结构502、第三馈电结构503、第四馈电结构504、第五馈电结构505、第六馈电结构506、第七馈电结构507、第八馈电结构508分别为第一天线单元201、第二天线单元202、第三天线单元203、第四天线单元204、第五天线单元205、第六天线单元206、第七天线单元207、第八天线单元208的对应的馈电结构，八个馈电结构的半径均为0.8mm；
工作时，八个馈电结构等幅激励，第一馈电结构501和第八馈电结构508对应的激励相位为0°，第三馈电结构503和第六馈电结构506对应的激励相位为90°，第四馈电结构504和第五馈电结构505对应的激励相位为180°，第二馈电结构502和第七馈电结构507对应的激励相位为270°；
图3为本实施例提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线回波特性；图4为本实施例提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线轴比特性；图5-8分别为本实施例提供的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线在4.9GHz、5.2GHz、5.5GHz和5.8GHz的方向图，依次为左旋圆极化、右旋圆极化、左旋圆极化、右旋圆极化。
图9为结合本实施案例提出的一种适用于极化可重构天线的馈电网络方案。该馈电网络置于天线辐射结构的背面，包括激励源901、第一移相器801、第二移相器802、第三移相器701、第四移相器702、第五移相器703、第一双刀双掷开关601、第二双刀双掷开关602；
首先对激励源信号进行一分四路的等功率分配；分配后的第一路再进行一分二路的等功率分配至第一馈电结构501和第八馈电结构508；第二路先通过第一移相器801进行90°移相，再进行一分二路的等功率分配，然后其中一路通过第三移相器701进行180°移相，移相后与另一路共同连接到第一双刀双掷开关601，第一双刀双掷开关的输出分别与第二馈电结构502和第三馈电结构503相连；第三路先通过第五移相器703进行180°移相，再进行一分二功等功率分配至第四馈电结构504和第五馈电结构505；第四路先通过第二移相器802进行90°移相，再进行一分二路的等功率分配，然后其中一路通过第四移相器702进行180°移相，移相后与另一路共同连接到第二双刀双掷开关602，第二双刀双掷开关的输出分别与第六馈电结构506和第七馈电结构507相连；
当第一双刀双掷开关601和第二双刀双掷开关602分别工作在第一状态时，第二馈电结构502与第三移相器701相连，第三馈电结构503与第一移相器801相连，第七馈电结构507与第四移相器702相连，第六馈电结构506与第二移相器802相连；此时，天线从低频到高频的四个工作频段分别工作在右旋圆极化、左旋圆极化、右旋圆极化、左旋圆极化；
当第一双刀双掷开关601和第二双刀双掷开关602分别工作在第一状态时，第三馈电结构503与第三移相器701相连，第二馈电结构502与第一移相器801相连，第六馈电结构506与第四移相器702相连，第七馈电结构507与第二移相器802相连；此时，天线从低频到高频的四个工作频段分别工作在左旋圆极化、右旋圆极化、左旋圆极化、右旋圆极化；从而实现不同极化状态的可重构。

Claims (5)

1.一种多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线，其特征在于，由十六个辐射单元构成，所有辐射单元工作于相同的线极化模式，分别记为第一辐射单元(1)、第二辐射单元(2)、第三辐射单元(3)、第四辐射单元(4)、第五辐射单元(5)、第六辐射单元(6)、第七辐射单元(7)、第八辐射单元(8)、第九辐射单元(9)、第十辐射单元(10)、第十一辐射单元(11)、第十二辐射单元(12)、第十三辐射单元(13)、第十四辐射单元(14)、第十五辐射单元(15)、第十六辐射单元(16)；十六个辐射单元按编号由小至大沿逆时针依次均匀分布在一个圆周上；其中第一辐射单元(1)、第五辐射单元(5)、第九辐射单元(9)和第十三辐射单元(13)组成第一辐射单元组，工作在第一频段；第二辐射单元(2)、第六辐射单元(6)、第十辐射单元(10)和第十四辐射单元(14)组成第二辐射单元组，工作在第二频段；第三辐射单元(3)、第七辐射单元(7)、第十一辐射单元(11)、第十五辐射单元(15)组成第三辐射单元组，工作在第三频段；第四辐射单元(4)、第八辐射单元(8)第十二辐射单元(12)、第十六辐射单元(16)组成第四辐射单元组，工作在第四频段；
所述天线的第一辐射单元(1)和第十六辐射单元(16)由第一馈源(17)激励，第二辐射单元(2)和第三辐射单元(3)由第二馈源(18)激励，第四辐射单元(4)和第五辐射单元(5)由第三馈源(19)激励，第六辐射单元(6)和第七辐射单元(7)由第四馈源(20)激励，第八辐射单元(8)和第九辐射单元(9)由第五馈源(21)激励，第十辐射单元(10)和第十一辐射单元(11)由第六馈源(22)激励，第十二辐射单元(12)和第十三辐射单元(13)由第七馈源(23)激励，第十四辐射单元(14)和第十五辐射单元(15)由第八馈源(24)激励；
所述第一馈源(17)、第二馈源(18)、第三馈源(19)、第四馈源(20)、第五馈源(21)、第六馈源(22)、第七馈源(23)和第八馈源(24)以相等幅度激励，且第一馈源(17)、第三馈源(19)、第五馈源(21)、第七馈源(23)的激励相位依次增加90°，第二馈源(18)、第四馈源(20)、第六馈源(22)、第八馈源(24)的激励相位依次减少90°。
2.根据权利要求1所述的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线，其特征在于，八个馈源(17、18、19、20、21、22、23、24)激励幅度相等。
3.根据权利要求1所述的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线，其特征在于，十六个辐射单元的结构相同。
4.根据权利要求1所述的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线，其特征在于，第一辐射单元组和第三辐射单元组为左旋圆极化；第二辐射单元组和第四辐射单元组为右旋圆极化。
5.一种应用于权利要求1所述的多频左右旋圆极化依次交替的可重构天线的馈电网络，其特征在于，馈电网络置于天线辐射结构的背面，包括激励源(901)、第一移相器(801)、第二移相器(802)、第三移相器(701)、第四移相器(702)、第五移相器(703)、第一双刀双掷开关(601)、第二双刀双掷开关(602)；
首先对激励源信号进行一分四路的等功率分配；分配后的第一路再进行一分二路的等功率分配至第一馈电结构(501)和第八馈电结构(508)；第二路先通过第一移相器(801)进行90°移相，再进行一分二路的等功率分配，然后其中一路通过第三移相器(701)进行180°移相，移相后与另一路共同连接到第一双刀双掷开关(601)，第一双刀双掷开关(601)的输出分别与第二馈电结构(502)和第三馈电结构(503)相连；第三路先通过第五移相器(703)进行180°移相，再进行一分二路等功率分配至第四馈电结构(504)和第五馈电结构(505)；第四路先通过第二移相器(802)进行90°移相，再进行一分二路的等功率分配，然后其中一路通过第四移相器(702)进行180°移相，移相后与另一路共同连接到第二双刀双掷开关(602)，第二双刀双掷开关(602)的输出分别与第六馈电结构(506)和第七馈电结构(507)相连。
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