CN107968249A - 一种圆极化可重构四臂螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆极化可重构四臂螺旋天线，包括辐射主体和馈电网络，通过直流偏置控制射频二极管的通断，可以更改辐射主体为左手四臂螺旋或右手四臂螺旋，同时相应地调节馈电网络输出信号逆时针依次延迟90度或顺时针依次延迟90度，进而实现左旋圆极化和右旋圆极化的可重构功能。本发明整体结构紧凑，体积小型化，方向图波束较宽，前后比良好，交叉极化较小，具有圆极化可重构功能，因此便于在射频识别和卫星通信等圆极化无线通信系统中应用。

Description

一种圆极化可重构四臂螺旋天线

技术领域

本发明涉及射频识别和卫星通信领域的天线设备领域，具体的是一种圆极化可重构四臂螺旋天线。

背景技术

圆极化可重构天线是可以产生和接收左旋圆极化波和右旋圆极化波的天线，由于具有提高通信系统容量、提供极化分集、减少多径传播环境信号衰落、抑制雨雾干扰等优越性能，在卫星通信、射频识别等无线通信系统中得到了广泛关注和应用。

四臂螺旋天线可以产生优良的圆极化波，具有较宽的波束宽度、良好的前后比和较低的交叉极化，非常适合应用于射频识别和卫星通信。四臂螺旋天线的极化方向和方向图由四条螺旋臂的形态和馈电方式决定。当四条辐射臂为右手螺旋方向，四路等幅激励信号依次顺时针延迟90度，天线会产生和接收边射的左旋圆极化波；而当四条辐射臂为左手螺旋方向，四路等幅激励信号依次逆时针延迟90度，天线则会产生和接收边射的右旋圆极化波。

普通的四臂螺旋天线仅可产生或接收一个旋向的圆极化波，而目前的资料显示，具有圆极化可重构功能的四臂螺旋天线还未被实现过。此外，普通的四臂螺旋天线馈电网络大多数占用面积大，限制了其在射频识别手持设备等场合的应用。

发明内容

为了解决普通的四臂螺旋天线只能够产生或接收一个旋向的圆极化波的问题，本发明提供了一种圆极化可重构四臂螺旋天线，该圆极化可重构四臂螺旋天线可通过电调来实现发射和接收左旋圆极化波或右旋圆极化波。该圆极化可重构四臂螺旋天线具有较宽的波束宽度、良好的前后比和较低的交叉极化，成功实现了圆极化旋向的可重构功能，并且其馈电网络占用面积小，使得整个天线结构紧凑。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种圆极化可重构四臂螺旋天线，包括辐射主体和馈电网络；

辐射主体，含有沿辐射主体的周向依次分布的四个交叉螺旋臂单元，在每个交叉螺旋臂单元中，一条左手螺旋臂与一条右手螺旋臂交叉；

馈电网络，与辐射主体连接。

该圆极化可重构四臂螺旋天线通过电控制射频二极管的通断来改变辐射主体和馈电网络的结构形态，进而实现左旋圆极化和右旋圆极化的可重构功能。

所述辐射主体整体为圆柱形，由印制在柔性介质板上的八条螺旋臂组成，其中四条为左手螺旋臂，另外四条为右手螺旋臂；四条左(右)手螺旋臂等间距地以中轴绕制四分之一圈而成，顶端通过金属环连接在一起形成短路。辐射主体的高度约为0.26λ，直径约为0.23λ，其中，λ为工作中心频率的自由空间波长。

其中，四条左手螺旋臂和相对应的四条右手螺旋臂分别在各自的底端、中点和顶端相交叉，交叉部分和其连接的左右两条螺旋臂不直接连通，而是刻蚀出空隙，通过焊接在每个空隙之间的一个射频二极管相连，而分别焊接在四条左手螺旋臂和四条右手螺旋臂上的两套射频二极管以相反的工作方向装配。通过施加不同的直流偏置控制射频二极管的通断，可以选择工作的辐射体为四条左手螺旋臂或是四条右手螺旋臂，从而发射和接收右旋圆极化波或者左旋圆极化波。

所述馈电网络包括两层介质板和三层金属层；上层介质板的顶面设有第一微带贴片层，底面设有中间地板层；下层介质板的底面设有第二微带贴片层。

其中，所述第一微带贴片层上设有第一耦合器，包括组成环形的四段微带线，一个输入端口贴片，两条输入端口馈电线，两条输出端口馈电线以及八个射频二极管和两个集总电阻。其中，第一微带线和第三微带线的特性阻抗均为35.4欧姆，相对于第一微带贴片层的中心上下对称、水平设置，第二微带线和第四微带线的特性阻抗均为50欧姆，相对于第一微带贴片层的中心左右对称、竖直设置；第一、二、三、四微带线的长度均为工作中心频率的四分之一有效波长，并且依次首尾相连，构成环形。第一输入端口贴片位于第一微带贴片层的中心，相当于两条输入端口馈电线向中心延伸后的交叉菱形部分；第一输入端口馈电线的一端通过一个射频二极管连接第一输入端口贴片，另一端通过一个射频二极管连接在第一和第四微带线的连接处；第二输入端口馈电线的一端通过一个射频二极管连接第一输入端口贴片，另一端通过一个射频二极管连接在第三和第四微带线的连接处。所述两条输入端口馈电线的特性阻抗均为35.4欧姆。通过施加不同的直流偏置控制射频二极管的通断，可以控制从不同的方向输入信号，进而控制两路输出信号之间的相位差为90°或-90°。

其中，第一和第二微带线的连接处设有向右上方倾斜的第一输出端口馈电线，第二和第三微带线的连接处设有向右下方倾斜的第二输出端口馈电线。第一和第二输出端口馈电线的特性阻抗均为50欧姆。

其中，第一和第四微带线的连接处向外侧通过两个射频二极管连接第一集总电阻，第三和第四微带线的连接处向外侧通过两个射频二极管连接第二集总电阻。所述集总电阻的另一端通过金属化过孔连接到中间地板层。当某一条输入端口馈电线工作时，其对侧的集总电阻导通，同侧的集总电阻断开，从而保证两个输出端口之间的隔离度。集总电阻和两个射频二极管导通状态下的阻值之和大约为50欧姆。这里使用两个射频二极管而不是一个，是为了便于直流偏置网络的设置。

其中，所述第二微带贴片层上设有第二耦合器，其组成结构和第一耦合器相同，在空间位置上相当于第一耦合器围绕第一微带贴片层的中心旋转180度后，竖直向下平移到第二微带贴片层上。不同的是，第二耦合器的两条输出端口馈电线末端分别采用探针竖直地穿过下层介质板、中间地板层的相应圆形空隙和上层介质板，到达第一微带贴片层的相应位置。

辐射主体的螺旋臂的四个底端分别与第一耦合器的两个输出端口馈电线的末端、第二耦合器输出端口馈电线末端延伸到第一微带贴片层的两个探针一一对应焊接，使馈电网络的四路输出信号激励给辐射主体上工作的四条螺旋臂。

在所述馈电网络中，中间地板层的中心设有空隙，其形状是与耦合器输入端口贴片相似并且略大的菱形；菱形空隙的中心、第一输入端口贴片的中心和第二输入端口贴片的中心均在辐射主体的中轴线上。

所述馈电网络的馈电方法为同轴馈电。同轴线的外皮与第二输入端口贴片焊接在一起，同轴线的内芯穿过下层介质板、中间地板层和上层介质板，和第一输入端口贴片焊接在一起。这样，分别输入到第一和第二耦合器的信号为等幅反相，进而通过耦合器的90°移相，使所述馈电网络的四路输出信号相位差顺时针或逆时针依次延迟90°。

本发明的有益效果是：

1、成功实现左旋圆极化和右旋圆极化的电调可重构功能；

2、方向图具有良好的波束宽度和前后比，较低的交叉极化；

3、天线结构紧凑便携，体积小型化；

4、基于印刷电路板技术实现，成本低廉。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的整体结构分层示意图；

图2是本发明的辐射主体示意图；

图3是本发明的辐射主体的侧面展开示意图；

图4是本发明的馈电网络第一微带贴片层的俯视示意图；

图5是本发明的馈电网络中间地板层的俯视示意图；

图6是本发明的馈电网络第二微带贴片层的俯视示意图；

图7是本发明反射系数的仿真结果图；

图8是本发明工作于左旋圆极化状态的增益仿真结果图；

图9是本发明工作于右旋圆极化状态的增益仿真结果图。

1、辐射主体；2、第一微带贴片层；3、上层介质板；4、中间地板层；5、下层介质板；6、第二微带贴片层；

11、柔性介质板；12、左手螺旋臂；13、右手螺旋臂；14、金属环；15、连接部；16、交叉螺旋臂单元；17、上端子；18、下端子；

121、左手上半螺旋臂；122、左手下半螺旋臂；131、右手上半螺旋臂；132、右手下半螺旋臂；

21、第一微带线；22、第二微带线；23、第三微带线；24、第四微带线；25、第一输入端口贴片；26、第一输入端口馈电线；27、第二输入端口馈电线；28、第一输出端口馈电线；29、第二输出端口馈电线；210、第一集总电阻；211、第二集总电阻；212、第一通孔；213、第二通孔；

301、第一射频二极管；302、第二射频二极管；303、第三射频二极管；304、第四射频二极管；305、第五射频二极管；306、第六射频二极管；307、第七射频二极管；308、第八射频二极管；309、第九射频二极管；310、第十射频二极管；311、第十一射频二极管；312、第十二射频二极管；313、第十三射频二极管；314、第十四射频二极管；315、第十五射频二极管；316、第十六射频二极管；

41、菱形孔；42、圆形孔；

61、第五微带线；62、第六微带线；63、第七微带线；64、第八微带线；65、第二输入端口贴片；66、第三输入端口馈电线；67、第四输入端口馈电线；68、第三输出端口馈电线；69、第四输出端口馈电线；610、第三集总电阻；611、第四集总电阻；612、第一馈电探针；613、第二馈电探针。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种圆极化可重构四臂螺旋天线，包括辐射主体1和馈电网络，辐射主体1含有沿辐射主体1的周向依次分布的四个交叉螺旋臂单元16，在每个交叉螺旋臂单元16中，一条左手螺旋臂12与一条右手螺旋臂13交叉，即沿辐射主体1的周向含有四条左手螺旋臂12和四条右手螺旋臂13；馈电网络与辐射主体1连接，如图1所示。

通过一条左手螺旋臂12与一条右手螺旋臂13交叉的方式，将四条左手螺旋臂12和四条右手螺旋臂13重构于一个单一直径的圆柱或圆筒体的侧表面上，并相应改变馈电网络的输出信号为逆时针依次延迟90度或顺时针延迟90度，从而实现了左旋圆极化和右旋圆极化的可重构功能。在本实施例中，该圆极化可重构四臂螺旋天线工作于2.45GHz频率处。辐射主体1由印制在柔性介质板11围成的圆筒形上的八条螺旋臂组成，其中四条为左手螺旋臂12，另外四条为右手螺旋臂13，即辐射主体1含有圆筒形的柔性介质板11，柔性介质板11的外周面上设有四条左手螺旋臂12和四条右手螺旋臂13。具体地，在每个交叉螺旋臂单元16中，左手螺旋臂12含有依次间隔设置的左手上半螺旋臂121、连接部15和左手下半螺旋臂122，右手螺旋臂13含有依次间隔设置的右手上半螺旋臂131、连接部15和右手下半螺旋臂132，左手螺旋臂12与右手螺旋臂13共用一个连接部15。

左手上半螺旋臂121与连接部15之间设有第一射频二极管301，第一射频二极管301的阳极(即P极)与连接部15电连接，第一射频二极管301的阴极(即N极)与左手上半螺旋臂121电连接；右手上半螺旋臂131与连接部15之间设有第二射频二极管302，第二射频二极管302的阳极与右手上半螺旋臂131电连接，第二射频二极管302的阴极与连接部15电连接；左手下半螺旋臂122与连接部15之间设有第三射频二极管303，第三射频二极管303的阳极与左手下半螺旋臂122电连接，第三射频二极管303的阴极与连接部15电连接；右手下半螺旋臂132与连接部15之间设有第四射频二极管304，第四射频二极管304的阳极与连接部15电连接，第四射频二极管304的阴极与右手下半螺旋臂132电连接。

在本实施例中，辐射主体1呈圆筒形，四个交叉螺旋臂单元16设置于辐射主体1的侧周面外，每个交叉螺旋臂单元16所对应的圆心角为90度，相当于四条左(右)手螺旋臂等间距地以中轴绕制四分之一圈而成，在每个交叉螺旋臂单元16中，连接部15位于一条左手螺旋臂12与一条右手螺旋臂13的中部，如图2和图3所示。

在本实施例中，辐射主体1的上部沿周向依次排列有四个上端子17，四个上端子17一一对应地设置于每两个相邻的交叉螺旋臂单元16之间，即每两个相邻的交叉螺旋臂单元16之间均设有一个上端子17。左手上半螺旋臂121与上端子17之间设有第五射频二极管305，第五射频二极管305的阳极与左手上半螺旋臂121电连接，第五射频二极管305的阴极与上端子17电连接；右手上半螺旋臂131与上端子17之间设有第六射频二极管306，第六射频二极管306的阳极与上端子17电连接，第六射频二极管306的阴极与右手上半螺旋臂131电连接；四个上端子17通过金属环14串联，实现四个上端子17的电连接，如图2和图3所示。

在本实施例中，辐射主体1的下部沿周向依次排列有四个下端子18，四个下端子18一一对应地设置于每两个相邻的交叉螺旋臂单元16之间，即每两个相邻的交叉螺旋臂单元16之间均设有一个下端子18。左手下半螺旋臂122与下端子18之间设有第七射频二极管307，第七射频二极管307的阳极与下端子18电连接，第七射频二极管307的阴极与左手下半螺旋臂122电连接；右手下半螺旋臂132与下端子18之间设有第八射频二极管308，第八射频二极管308的阳极与右手下半螺旋臂132电连接，第八射频二极管308的阴极与下端子18电连接，如图2和图3所示。

另外，柔性介质板11的介电常数为2.2，厚度为0.2mm，柔性介质板11所卷成的圆筒直径为28mm，即辐射主体1的直径为28mm，其中，左手螺旋臂12和右手螺旋臂13的高度为27.6mm，每条臂宽度约为2mm，顶端短路金属环14的宽度为1.5mm。四条左手螺旋臂12和相对应的四条右手螺旋臂13分别在各自的底端、中点和顶端相交叉，交叉部分和其连接的左右两条螺旋臂不直接连通，而是刻蚀出宽度为1mm的空隙(如左手上半螺旋臂121与连接部15之间为1mm的空隙)，通过焊接在每个所述空隙之间的一个射频二极管相连，而分别焊接在四条左手螺旋臂和四条右手螺旋臂上的两套射频二极管以相反的工作方向装配，如图2和图3所示。选用的射频二极管为Infineon公司的BAR50-02L。

在本实施例中，所述馈电网络位于辐射主体1的下方，所述馈电网络含有沿辐射主体1的轴线方向依次层叠设置的第一微带贴片层2、上层介质板3、中间地板层4、下层介质板5和第二微带贴片层6，如图1所示，在由X、Y、Z轴组成的空间直角坐标系中，辐射主体1的轴线方向与Z轴的负方向相同。所述第一微带贴片层2上设有第一耦合器，该第一耦合器包括导电的微带线框、第一输入端口贴片25、第一输入端口馈电线26、第二输入端口馈电线27、第一输出端口馈电线28、第二输出端口馈电线29、第一集总电阻210和第二集总电阻211；第一输入端口贴片25、第一输入端口馈电线26和第二输入端口馈电线27设置于环形的所述微带线框内，第一输出端口馈电线28、第二输出端口馈电线29、第一集总电阻210和第二集总电阻211设置于所述微带线框外，所述微带线框的外径(即所述微带线框的外接圆的直径)小于辐射主体1的外径，如图1至图4所示。

在本实施例中，所述微带线框呈矩形，所述微带线框含有依次首尾连接的第一微带线21、第二微带线22、第三微带线23和第四微带线24，第一输入端口贴片25位于第一微带贴片层2的中心，第一输入端口馈电线26位于第一输入端口贴片25与第一微带线21和第四微带线24的连接处之间，第二输入端口馈电线27位于第一输入端口贴片25与第三微带线23和第四微带线24的连接处之间；第一输入端口贴片25与第一输入端口馈电线26之间设有第九射频二极管309，第九射频二极管309的阳极与第一输入端口贴片25电连接，第九射频二极管309的阴极与第一输入端口馈电线26电连接；第一输入端口贴片25与第二输入端口馈电线27之间设有第十射频二极管310，第十射频二极管310的阳极与第二输入端口馈电线27电连接，第十射频二极管310的阴极与第一输入端口贴片25电连接；第一输入端口馈电线26与第一微带线21和第四微带线24的连接处之间设有第十一射频二极管311，第十一射频二极管311的阳极与第一输入端口馈电线26电连接，第十一射频二极管311的阴极与第一微带线21和第四微带线24之间的连接处电连接；第二输入端口馈电线27与第三微带线23和第四微带线24的连接处之间设有第十二射频二极管312，第十二射频二极管312的阳极与第三微带线23和第四微带线24之间的连接处电连接，第十二射频二极管312的阴极与第二输入端口馈电线27电连接，如图4所示。

在本实施例中，第一输出端口馈电线28和第二输出端口馈电线29均沿远离所述微带线框的方向设置，第一输出端口馈电线28与第一微带线21和第二微带线22的连接处电连接，第二输出端口馈电线29与第二微带线22和第三微带线23的连接处电连接；第一集总电阻210与第一微带线21和第四微带线24的连接处之间设有第十三射频二极管313和第十四射频二极管314，第十三射频二极管313的阳极与第一微带线21和第四微带线24的连接处电连接，第十三射频二极管313的阴极与第十四射频二极管314的阳极电连接，第十四射频二极管314的阴极与第一集总电阻210的一端电连接，第一集总电阻210的另一端通过金属化过孔连接中间地板层4；第二集总电阻211与第三微带线23和第四微带线24的连接处之间设有第十五射频二极管315和第十六射频二极管316，第十五射频二极管315的阴极与第三微带线23和第四微带线24的连接处电连接，第十五射频二极管315的阳极与第十六射频二极管316的阴极电连接，第十六射频二极管316的阳极与第二集总电阻211的一端电连接，第二集总电阻211的另一端通过金属化过孔连接中间地板层4，如图4所示。中间地板层4相当于第一微带贴片层和第二微带贴片层公共的“地板”，故称之为“中间地板层”。

另外，下层介质板5的顶面腐蚀掉。上下层介质板采用相同的介质板，可以通过选择合适的介质板参数来保证馈电网络的尺寸适合辐射主体，而不额外增加天线的面积。本实施例中，上下层介质板的厚度均为0.63mm，介电常数为6.15。第一微带线21和第三微带线23的长度均为16.4mm，宽度均为1.64mm，相对于第一微带贴片层2的中心上下对称、水平设置，如图4所示。第二微带线22和第四微带线24的长度均为13.5mm，宽度均为0.9mm，相对于第一微带贴片层2的中心左右对称、竖直设置，如图4所示。第一、二、三、四微带线依次首尾相连，构成环形的导电体。第一输入端口贴片25位于第一微带贴片层2的中心，相当于第一输入端口馈电线26和第二输入端口馈电线27向中心延伸后的交叉菱形部分；第一输入端口馈电线26和第二输入端口馈电线27的宽度均为1.64mm，需要焊接射频二极管的位置刻蚀有1mm的空隙。可以理解为本发明中，所有设置一个射频二极管的部位均刻蚀有1mm的空隙，所有设置两个射频二极管的部位均刻蚀有2mm的空隙，如图4所示。在本发明中，所述空隙的宽度应当根据具体选定的射频二极管尺寸决定，能够使得二极管刚好能够装配在这个空隙里。本实施例中选择的是Infineon公司的BAR50-02L,如果选择其他的型号的二极管，空隙的大小将不一定为1mm或2mm。

第一输出端口馈电线28和第二输出端口馈电线29的宽度均为0.9mm，长度为连接所述微带线连接处到辐射主体螺旋臂底端(下端子18)竖直投射到微带贴片平面相应位置的距离。第一集总电阻210和第二集总电阻211的阻值选择为46欧姆左右，使其和两个串联的射频二极管导通状态下的阻值之和大约为50欧姆。

在本实施例中，第一微带贴片层2与辐射主体1的中心线垂直，第一输入端口贴片25的中心线与辐射主体1的中心线重合，第二微带贴片层6的组成结构与第一微带贴片层2的组成结构相同，第二微带贴片层6能够以辐射主体1的中心线为轴旋转180度再向上或下平移后与第一微带贴片层2重合，第一微带贴片层2和第二微带贴片层6中心对称，第二微带贴片层6含有第三输出端口馈电线68和第四输出端口馈电线69，第三输出端口馈电线68通过第一馈电探针612与四个下端子18中的第一个下端子电连接，第四输出端口馈电线69通过第二馈电探针613与四个下端子18中的第二个下端子电连接，第一输出端口馈电线29与四个下端子18中的第三个下端子电连接，第二输出端口馈电线28与四个下端子18中的第四个下端子电连接，如图6所示。

在本实施例中，第二微带贴片层6含有第五微带线61、第六微带线62、第七微带线63、第八微带线64、第二输入端口贴片65、第三输入端口馈电线66、第四输入端口馈电线67、第三输出端口馈电线68、第四输出端口馈电线69、第三集总电阻610，第四集总电阻611以及八个射频二极管。

在本实施例中，在上层介质板3和下层介质板5之间还设置有中间地板层4，中间地板层4的材质为金属，第一馈电探针612和第二馈电探针613均依次穿过第一微带贴片层2、上层介质板3、中间地板层4和下层介质板5，该圆极化可重构四臂螺旋天线还含有同轴线，该同轴线的外皮与第二输入端口贴片65电连接，该同轴线的内芯与第一输入端口贴片25电连接。

第一馈电探针612在上层介质板3上对应的穿出位置为第一通孔212，第二馈电探针613在上层介质板3上对应的穿出位置为第二通孔213。辐射主体的螺旋臂的四个底端(四个下端子)分别与第一输出端口馈电线28的末端、第二输出端口馈电线29的末端、第一馈电探针612和第二馈电探针613一一对应焊接，从而使馈电网络的四路输出信号激励给辐射主体上工作的四条螺旋臂。

在本实施例中，中间地板层4的中心设有菱形孔41，其形状是与第一输入端口贴片25和第二输入端口贴片65相似的菱形，菱形孔41的边长比第一输入端口贴片25和第二输入端口贴片65的边长长1mm；菱形孔41的中心、第一输入端口贴片25的中心和第二输入端口贴片65的中心均在辐射主体1的轴线上，中间地板层4上还设有用于第一馈电探针612和第二馈电探针613穿过的两个圆孔42，圆孔42的半径比第一馈电探针612和第二馈电探针613的半径长0.7mm，如图5所示。

同轴线的外皮与第二输入端口贴片65焊接在一起，同轴线的内芯穿过下层介质板5、中间地板层4和上层介质板3，和第一输入端口贴片25焊接在一起。这样，分别输入到第一耦合器和第二耦合器的信号为等幅反相，进而通过耦合器的90°移相，使所述馈电网络的四路输出信号相位差顺时针或逆时针依次延迟90°。

为实现对圆极化旋向的控制，第一输入端口馈电线26两端连接的射频二极管、第四输入端口馈电线67两端连接的射频二极管、第二集总电阻211和第三集总电阻610连接的射频二极管与右手螺旋臂13上的射频二极管具有相同的工作状态；设计合适的直流偏置，使仅有这些二极管导通，本实施例可以产生和接收端射方向的左旋圆极化波。第二输入端口馈电线27两端连接的射频二极管、第三输入端口馈电线66两端连接的射频二极管、第一集总电阻210和第四集总电阻611连接的射频二极管与左手螺旋臂12上的射频二极管具有另一个相同的工作状态；设计合适的直流偏置，使仅有这些二极管导通，本实施例可以产生和接收端射方向的右旋圆极化波。

本发明中天线的圆极化可重构功能通过以下方法实现：第一输入端口馈电线26两端连接的射频二极管、第四输入端口馈电线67两端连接的射频二极管、第二集总电阻211和第三集总电阻610连接的射频二极管与右手螺旋臂13上的射频二极管具有相同的工作状态；当仅有这些二极管导通时，从馈电网络的输出端口馈电线分别激励到右手螺旋臂的四路信号幅度相等，相位逆时针分别为0°，90°，180°，270°，在此工作状态下，本天线可以产生和接收边射的左旋圆极化波。第二输入端口馈电线27两端连接的射频二极管、第三输入端口馈电线66两端连接的射频二极管、第一集总电阻210和第四集总电阻61连接的射频二极管与左手螺旋臂12上的射频二极管具有另一个相同的工作状态；当仅有这些二极管导通时，从馈电网络的输出端口馈电线分别激励到左手螺旋臂的四路信号幅度相等，相位顺时针分别为0°，90°，180°，270°，在此工作状态下，本天线可以产生和接收边射方向的右旋圆极化波。这里，射频二极管的工作状态是指，在某一时刻，具有相同的工作状态的射频二极管均处于通(断)的状态，而另一个工作状态的射频二极管均处于断(通)的状态。射频二极管的通断可以通过适当设计的直流偏置来控制。

图7展示了本发明在左旋和右旋圆极化状态下的反射系数仿真结果图，可以显示出本发明实施例在2.45GHz频率附近匹配良好。

图8展示了本发明在左旋圆极化工作状态的仿真辐射方向图；图9展示了本发明在右旋圆极化工作状态的仿真辐射方向图。图8和图9均以极坐标形式呈现，圆的半径表示某方向的左旋圆极化或右旋圆极化增益幅度分量，单位为dBic。从图8和图9的仿真结果可以看出，本发明实施例成功实现了左旋圆极化和右旋圆极化的可重构功能，并且方向图具有较宽的波束宽度、良好的前后比和较低的交叉极化。

综上所述，本发明提供了一种用于射频识别和卫星通信的圆极化可重构四臂螺旋天线，包括可重构辐射主体和可重构馈电网络，通过射频二极管的通断，可以选择辐射主体为左手四臂螺旋或是右手四臂螺旋，同时选择馈电网络的输出信号为逆时针依次延迟90度或顺时针延迟90度，进而实现左旋圆极化和右旋圆极化的可重构功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种圆极化可重构四臂螺旋天线，其特征在于，该圆极化可重构四臂螺旋天线包括辐射主体(1)和馈电网络；

辐射主体(1)，含有沿辐射主体(1)的周向依次分布的四个交叉螺旋臂单元(16)，在每个交叉螺旋臂单元(16)中，一条左手螺旋臂(12)与一条右手螺旋臂(13)交叉；

馈电网络，与辐射主体(1)连接。

2.根据权利要求1所述的圆极化可重构四臂螺旋天线，其特征在于，在每个交叉螺旋臂单元(16)中，左手螺旋臂(12)含有依次间隔设置的左手上半螺旋臂(121)、连接部(15)和左手下半螺旋臂(122)，右手螺旋臂(13)含有依次间隔设置的右手上半螺旋臂(131)、连接部(15)和右手下半螺旋臂(132)，左手螺旋臂(12)与右手螺旋臂(13)共用一个连接部(15)；

左手上半螺旋臂(121)与连接部(15)之间设有第一射频二极管(301)，第一射频二极管(301)的阳极与连接部(15)电连接，第一射频二极管(301)的阴极与左手上半螺旋臂(121)电连接；

右手上半螺旋臂(131)与连接部(15)之间设有第二射频二极管(302)，第二射频二极管(302)的阳极与右手上半螺旋臂(131)电连接，第二射频二极管(302)的阴极与连接部(15)电连接；

左手下半螺旋臂(122)与连接部(15)之间设有第三射频二极管(303)，第三射频二极管(303)的阳极与左手下半螺旋臂(122)电连接，第三射频二极管(303)的阴极与连接部(15)电连接；

右手下半螺旋臂(132)与连接部(15)之间设有第四射频二极管(304)，第四射频二极管(304)的阳极与连接部(15)电连接，第四射频二极管(304)的阴极与右手下半螺旋臂(132)电连接。

3.根据权利要求2所述的圆极化可重构四臂螺旋天线，其特征在于，辐射主体(1)呈筒形或圆柱形，四个交叉螺旋臂单元(16)设置于辐射主体(1)的侧周面外，每个交叉螺旋臂单元(16)所对应的圆心角为90度，在每个交叉螺旋臂单元(16)中，连接部(15)位于一条左手螺旋臂(12)与一条右手螺旋臂(13)的中部。

4.根据权利要求2所述的圆极化可重构四臂螺旋天线，其特征在于，辐射主体(1)的上部沿周向依次排列有四个上端子(17)，四个上端子(17)一一对应地设置于每两个相邻的交叉螺旋臂单元(16)之间；

左手上半螺旋臂(121)与上端子(17)之间设有第五射频二极管(305)，第五射频二极管(305)的阳极与左手上半螺旋臂(121)电连接，第五射频二极管(305)的阴极与上端子(17)电连接；

右手上半螺旋臂(131)与上端子(17)之间设有第六射频二极管(306)，第六射频二极管(306)的阳极与上端子(17)电连接，第六射频二极管(306)的阴极与右手上半螺旋臂(131)电连接；

四个上端子(17)通过金属环(14)串联。

5.根据权利要求2所述的圆极化可重构四臂螺旋天线，其特征在于，辐射主体(1)的下部沿周向依次排列有四个下端子(18)，四个下端子(18)一一对应地设置于每两个相邻的交叉螺旋臂单元(16)之间；

左手下半螺旋臂(122)与下端子(18)之间设有第七射频二极管(307)，第七射频二极管(307)的阳极与下端子(18)电连接，第七射频二极管(307)的阴极与左手下半螺旋臂(122)电连接；

右手下半螺旋臂(132)与下端子(18)之间设有第八射频二极管(308)，第八射频二极管(308)的阳极与右手下半螺旋臂(132)电连接，第八射频二极管(308)的阴极与下端子(18)电连接。

6.根据权利要求5所述的圆极化可重构四臂螺旋天线，其特征在于，所述馈电网络位于辐射主体(1)的下方，所述馈电网络含有沿辐射主体(1)的轴线方向依次层叠设置的第一微带贴片层(2)、上层介质板(3)、下层介质板(5)和第二微带贴片层(6)；

所述第一微带贴片层(2)上设有第一耦合器，该第一耦合器包括导电的微带线框、第一输入端口贴片(25)、第一输入端口馈电线(26)、第二输入端口馈电线(27)、第一输出端口馈电线(28)、第二输出端口馈电线(29)、第一集总电阻(210)和第二集总电阻(211)；

第一输入端口贴片(25)、第一输入端口馈电线(26)和第二输入端口馈电线(27)设置于环形的所述微带线框内，第一输出端口馈电线(28)、第二输出端口馈电线(29)、第一集总电阻(210)和第二集总电阻(211)设置于所述微带线框外，所述微带线框的外径小于辐射主体(1)的外径。

7.根据权利要求6所述的圆极化可重构四臂螺旋天线，其特征在于，所述微带线框呈矩形，所述微带线框含有依次首尾连接的第一微带线(21)、第二微带线(22)、第三微带线(23)和第四微带线(24)，第一输入端口贴片(25)位于第一微带贴片层(2)的中心，第一输入端口馈电线(26)位于第一输入端口贴片(25)与第一微带线(21)和第四微带线(24)的连接处之间，第二输入端口馈电线(27)位于第一输入端口贴片(25)与第三微带线(23)和第四微带线(24)的连接处之间；

第一输入端口贴片(25)与第一输入端口馈电线(26)之间设有第九射频二极管(309)，第九射频二极管(309)的阳极与第一输入端口贴片(25)电连接，第九射频二极管(309)的阴极与第一输入端口馈电线(26)电连接；

第一输入端口贴片(25)与第二输入端口馈电线(27)之间设有第十射频二极管(310)，第十射频二极管(310)的阳极与第二输入端口馈电线(27)电连接，第十射频二极管(310)的阴极与第一输入端口贴片(25)电连接；

第一输入端口馈电线(26)与第一微带线(21)和第四微带线(24)的连接处之间设有第十一射频二极管(311)，第十一射频二极管(311)的阳极与第一输入端口馈电线(26)电连接，第十一射频二极管(311)的阴极与第一微带线(21)和第四微带线(24)之间的连接处电连接；

第二输入端口馈电线(27)与第三微带线(23)和第四微带线(24)的连接处之间设有第十二射频二极管(312)，第十二射频二极管(312)的阳极与第三微带线(23)和第四微带线(24)之间的连接处电连接，第十二射频二极管(312)的阴极与第二输入端口馈电线(27)电连接。

8.根据权利要求7所述的圆极化可重构四臂螺旋天线，其特征在于，第一输出端口馈电线(28)和第二输出端口馈电线(29)均沿远离所述微带线框的方向设置，第一输出端口馈电线(28)与第一微带线(21)和第二微带线(22)的连接处电连接，第二输出端口馈电线(29)与第二微带线(22)和第三微带线(23)的连接处电连接；

在上层介质板(3)和下层介质板(5)之间还设置有中间地板层(4)，第一集总电阻(210)与第一微带线(21)和第四微带线(24)的连接处之间设有第十三射频二极管(313)和第十四射频二极管(314)，第十三射频二极管(313)的阳极与第一微带线(21)和第四微带线(24)的连接处电连接，第十三射频二极管(313)的阴极与第十四射频二极管(314)的阳极电连接，第十四射频二极管(314)的阴极与第一集总电阻(210)的一端电连接第一集总电阻(210)的另一端与中间地板层(4)电连接；

第二集总电阻(211)与第三微带线(23)和第四微带线(24)的连接处之间设有第十五射频二极管(315)和第十六射频二极管(316)，第十五射频二极管(315)的阴极与第三微带线(23)和第四微带线(24)的连接处电连接，第十五射频二极管(315)的阳极与第十六射频二极管(316)的阴极电连接，第十六射频二极管(316)的阳极与第二集总电阻(211)的一端电连接第二集总电阻(211)的另一端与中间地板层(4)电连接。

9.根据权利要求8所述的圆极化可重构四臂螺旋天线，其特征在于，第一微带贴片层(2)与辐射主体(1)的中心线垂直，第一输入端口贴片(25)的中心线与辐射主体(1)的中心线重合，第二微带贴片层(6)的结构与第一微带贴片层(2)的结构相同，第二微带贴片层(6)能够以辐射主体(1)的中心线为轴旋转180度再向上或下平移后与第一微带贴片层(2)重合，第二微带贴片层(6)含有第三输出端口馈电线(68)和第四输出端口馈电线(69)，第三输出端口馈电线(68)通过第一馈电探针(612)与四个下端子(18)中的第一个下端子电连接，第四输出端口馈电线(69)通过第二馈电探针(613)与四个下端子(18)中的第二个下端子电连接，第一输出端口馈电线(29)与四个下端子(18)中的第三个下端子电连接，第二输出端口馈电线(28)与四个下端子(18)中的第四个下端子电连接。

10.根据权利要求9所述的圆极化可重构四臂螺旋天线，其特征在于，第一馈电探针(612)和第二馈电探针(613)均依次穿过第一微带贴片层(2)、上层介质板(3)、中间地板层(4)和下层介质板(5)，该圆极化可重构四臂螺旋天线还含有同轴线，该同轴线的外皮与第二输入端口贴片(65)电连接，该同轴线的内芯与第一输入端口贴片(25)电连接。