CN107978861A - 一种低剖面全向左右旋圆极化可重构天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面全向左右旋圆极化可重构天线,包括介质基板、圆形辐射贴片、N个双弧形臂辐射贴片、2N个射频开关二极管、N+1个贴片电感、N个焊盘、圆形接地板、N个短路柱、同轴馈电探针和直流电源;圆形接地板上设有圆环缝隙,将其分为内贴片和外贴片;上表面圆形辐射贴片通过2N个互相反向偏置的射频开关二极管与N个双弧形臂辐射贴片相连接;直流电源的一端与介质基板上表面的N个焊盘相连,另一端与内贴片相连;在双弧形臂贴片等角线贯通等距开设有三个短路柱,连接圆形辐射贴片、介质基板和圆形接地板。本发明全向圆极化辐射性能好、能实现全向的左右旋圆极化切换、损耗小、低剖面、易于加工、成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域,尤其涉及一种低剖面全向左右旋圆极化可重构天线。
背景技术
全向圆极化天线在高速运动甚至剧烈摆动或滚动的物体(如航天器、飞机、汽车)上,可以在任何运动状态下接受到无线电信号;在广播电视系统中,能够有效扩大信号覆盖范围,并在一定程度上克服重影重音。圆极化波为一等幅旋转场,可以分解为两个幅度相等、相位相差90度的线极化波。圆极化信号可以被各种线极化天线接收,同时圆极化天线可以接收任何线极化来波,而左(右)旋圆极化天线不能接收右(左)圆极化波。因此设计结构简单、馈电方便的全向左右旋圆极化可重构天线具有重大的理论意义和工程价值。
目前国内外对全向左右旋圆极化可重构天线的研究较少。专利文件(201120020320.5)提出了一种左右旋圆极化可重构天线,其主要技术方案是提供一种左右旋圆极化可重构的低轮廓背腔天线,但是该方法不能实现全向辐射。2016年,Yuan-MingCai等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表了“Compact-SizeLow-ProfileWideband Circularly Polarized Omnidirectional Patch Antenna WithReconfigurable Polarizations”,在天线接地板刻蚀弯曲槽中加入24个射频开关二极管。2013年,Bo Li等人在IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters上发表了“Polarization-Reconfigurable Omnidirectional Antenna Combining Dipole andLoop Radiators”,结合偶极子和环形天线,利用48个开关二极管实现圆极化重构。两款天线使用了较多的开关二极管增加了天线损耗。2015年,Yi Fan等人在AP-S上发表了“Polarization Reconfigurable Omnidirectional Antenna Using Crossed Dipoles”,用16个开关二极管改变倾斜偶极子的通断,但非低剖面结构,不能适用于很多需要低剖面结构的系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中全向左右旋圆极化可重构天线结构复杂、集总元件较多引入损耗大的问题,提供一种低剖面全向左右旋圆极化可重构天线,其全向圆极化辐射性能良好,剖面低,左右旋模式切换简单。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种低剖面全向左右旋圆极化可重构天线,包含介质基板、圆形辐射贴片、N个双弧形臂辐射贴片、2N个射频开关二极管、N+1个贴片电感、N个焊盘、圆形接地板、N个短路柱、同轴馈电探针和直流电源,N为大于等于3的自然数;
所述介质基板呈圆形,所述圆形辐射贴片、圆形接地板分别贴装在所述介质基板的上表面、下表面,圆形辐射贴片、圆形接地板、介质基板同轴,且圆形接地板半径大于圆形辐射贴片半径;
所述双弧形臂辐射贴片包含两段同心的、内外分布的弧形臂,且两段弧形臂的两端分别相连;
所述N个双弧形臂辐射贴片和所述圆形辐射贴片同心、围绕所述圆形辐射贴片均匀的贴装在所述介质基板的上表面上, 所述N个双弧形臂辐射贴片的两端和所述2N个射频开关二极管一一对应、通过所述2N个射频开关二极管和所述圆形辐射贴片相连,且相邻射频开关二极管反向偏置;
所述N个焊盘均贴装在所述介质基板的上表面上、通过N个贴片电感和所述N个双弧形臂辐射贴片的外侧弧形臂一一对应相连;
所述圆形接地板上设有环形缝隙,将所述圆形接地板分割为贴装在所述介质基板下表面的内贴片和外贴片;所述内贴片通过一个贴片电感和所述外贴片相连;
所述直流电源一端分别和所述N个焊盘相连,另一端和所述内贴片相连;
所述圆形辐射贴片在所述N个双弧形臂辐射贴片的等角线上设有N个短路过孔,且所述N个短路过孔和圆形辐射贴片圆心之间的距离相等;
所述介质基板、圆形接地板上均设有和所述圆形辐射贴片上N个短路过孔一一对应的短路过孔;
所述N个短路柱一一对应设置在圆形辐射贴片的N个短路过孔中,将圆形辐射贴片的N个短路过孔和所述介质基板的N个短路过孔、圆形接地板的N个短路过孔一一对应连接;
所述介质基板、圆形接地板的圆心处均设有供所述同轴馈电探针内导体穿过的通孔,所述圆形辐射贴片的圆心处设有用于和所述同轴馈电探针内导体相连的过孔;
所述同轴馈电探针的内导体穿过所述介质基板、圆形接地板的圆心处的通孔,和所述圆形辐射贴片的圆心处的过孔相连;
所述同轴馈电探针的外导体与圆形接地板相连。
作为本发明一种低剖面全向左右旋圆极化可重构天线进一步的优化方案,所述介质基板为单层介质基板。
作为本发明一种低剖面全向左右旋圆极化可重构天线进一步的优化方案,N的值为3。
工作时,圆形辐射贴片和圆形接地板产生的辐射相互抵消,在圆形辐射贴片边缘切角方向形成等效的磁流源,辐射垂直极化波,双弧形臂辐射贴片上形成等效的电流源,辐射水平极化波。圆极化辐射贴片和双弧形臂辐射贴片与圆形接地板形成一个电容器,在一个周期内充放电形成固有的90°相位差,调节天线尺寸满足两个正交分量的幅度相等,可以在远场辐射圆极化波。通过改变直流偏压电路的正负偏压可以切换射频开关二极管的导通或截止状态,切换天线左右旋圆极化模式。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
a. 该新型全向左右旋圆极化可重构天线只需点馈电,不需要外增90°移相器馈电网络,同时整个天线为平面结构,剖面低,易于集成。
b. 该新型全向左右旋圆极化可重构天线只需单线同时控制六个射频开关二极管,与已有的全向左右旋圆极化可重构天线相比减小了加工复杂度和天线损耗。
c. 该新型全向左右旋圆极化可重构天线结构简单,引入集总元件少,增加了天线结构的中心旋转对称性,使天线有良好的全向圆极化辐射性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明的俯视图;
图3为本发明中圆形接地板和介质基板配合的结构示意图;
图4为本发明实施例在2492 MHz时左旋圆极化在水平面的轴比图;
图5为本发明实施例在2492 MHz时右旋圆极化在水平面的轴比图;
图6为本发明实施例在2492 MHz时左旋圆极化在垂直面的辐射方向图;
图7为本发明实施例在2492 MHz时左旋圆极化在水平面的辐射方向图;
图8为本发明实施例在2492 MHz时右旋圆极化在垂直面的辐射方向图;
图9为本发明实施例在2492 MHz时右旋圆极化在水平面的辐射方向图。
图中,1-介质基板,2-圆形辐射贴片,3-双弧形臂辐射贴片,4-圆形接地板,5-短路柱,6-同轴馈电探针,7-射频开关二极管,8-介质基板上表面的贴片电感,9-焊盘,10-环形缝隙,11-介质基板下表面的贴片电感,12-同轴馈电探针的内导体,13-同轴馈电探针的外导体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1、图2、图3所示,本发明公开了一种低剖面全向左右旋圆极化可重构天线,包含介质基板、圆形辐射贴片、N个双弧形臂辐射贴片、2N个射频开关二极管、N+1个贴片电感、N个焊盘、圆形接地板、N个短路柱、同轴馈电探针和直流电源,N为大于等于3的自然数;
所述介质基板呈圆形,所述圆形辐射贴片、圆形接地板分别贴装在所述介质基板的上表面、下表面,圆形辐射贴片、圆形接地板、介质基板同轴,且圆形接地板半径大于圆形辐射贴片半径;
所述双弧形臂辐射贴片包含两段同心的、内外分布的弧形臂,且两段弧形臂的两端分别相连;
所述N个双弧形臂辐射贴片和所述圆形辐射贴片同心、围绕所述圆形辐射贴片均匀的贴装在所述介质基板的上表面上, 所述N个双弧形臂辐射贴片的两端和所述2N个射频开关二极管一一对应、通过所述2N个射频开关二极管和所述圆形辐射贴片相连,且相邻射频开关二极管反向偏置;
所述N个焊盘均贴装在所述介质基板的上表面上、通过N个贴片电感和所述N个双弧形臂辐射贴片的外侧弧形臂一一对应相连;
所述圆形接地板上设有环形缝隙,将所述圆形接地板分割为贴装在所述介质基板下表面的内贴片和外贴片;所述内贴片通过一个贴片电感和所述外贴片相连;
所述直流电源一端分别和所述N个焊盘相连,另一端和所述内贴片相连;
所述圆形辐射贴片在所述N个双弧形臂辐射贴片的等角线上设有N个短路过孔,且所述N个短路过孔和圆形辐射贴片圆心之间的距离相等;
所述介质基板、圆形接地板上均设有和所述圆形辐射贴片上N个短路过孔一一对应的短路过孔;
所述N个短路柱一一对应设置在圆形辐射贴片的N个短路过孔中,将圆形辐射贴片的N个短路过孔和所述介质基板的N个短路过孔、圆形接地板的N个短路过孔一一对应连接;
所述介质基板、圆形接地板的圆心处均设有供所述同轴馈电探针内导体穿过的通孔,所述圆形辐射贴片的圆心处设有用于和所述同轴馈电探针内导体相连的过孔;
所述同轴馈电探针的内导体穿过所述介质基板、圆形接地板的圆心处的通孔,和所述圆形辐射贴片的圆心处的过孔相连;
所述同轴馈电探针的外导体与圆形接地板相连。
所述介质基板优先为单层介质基板,N的值优先为3。
下面以N为3时举例说明:
低剖面全向左右旋圆极化可重构天线包括厚度为2 mm,半径为24.8mm的介质基板、介质基板上表面贴装的圆形辐射贴片和双弧形臂辐射贴片,下表面贴装的圆形接地板,且圆面中心轴线相重合;
介质基板上表面贴装半径为14.5 mm的圆形辐射贴片和双弧形臂辐射贴片,下表面贴装半径为15.5 mm的圆形接地板均为介质基板表面的覆金属层,金属层厚度为0.035 mm;
贯穿圆形接地板、介质基板和圆形辐射贴片有三个短路柱,短路柱是半径为0.4 mm的金属柱,沿双弧形臂贴片等角线方向等距分布,每个短路柱之间的间隔角度为120度,短路柱圆面中心轴线与介质基板圆面中心轴线距离为4 mm;
圆形辐射贴片的中心、下层圆形单极子金属贴片的中心之间,贯通设置有同轴馈电探针,同轴馈电探针为标准SMA射频接头,包括内导体和外导体,内外导体之间为绝缘材料,所述内导体12贯通圆形接地板中心和介质基板中心,过孔连接到圆形辐射贴片中心,圆形辐射贴片中心为馈电点,所述外导体与圆形接地板相连接;
三个结构相同的双弧形臂辐射贴片呈中心旋转对称分布在圆形辐射贴片边缘,单个双弧形臂辐射贴片的弧度为110度。单个双弧形臂辐射贴片由两端相连接的内外平行单弧形臂组成,内外单弧形臂的宽度均为1 mm,内弧形臂与圆形辐射贴片的距离为2.5 mm;
圆形辐射贴片通过六个互相反向偏置的射频开关二极管与三个结构相同双弧形臂辐射贴片相连接,单个双弧形臂辐射贴片两端分别连接两个射频开关二极管,射频开关二极管一个正向压降方向为圆形辐射贴片流向双弧形臂辐射贴片,另一个正向压降方向为双弧形臂辐射贴片流向圆形辐射贴片;
介质基板上表面的三个贴片电感一端分别与三个双弧形臂辐射贴片的外单弧形臂连接,所述三个贴片电感另一端与三个介质基板上表面焊盘相连接,焊盘的尺寸为1.5 mm×1.5 mm;
介质基板下表面贴装的圆形接地板上开有阻隔交流的圆环缝隙,缝隙的内圆半径为0.75 mm,外圆半径为0.85 mm,圆环缝隙圆面中心轴线与介质基板圆面中心轴线距离为11.8 mm。直流电源的一端与所述介质基板上表面的三个焊盘相连,另一端与圆环缝隙内贴片相连;
介质基板下表面的贴片电感跨圆环缝隙与圆环缝隙内贴片和圆环缝隙外贴片相连。
具体结构几何参数如下:
其中R1为圆形辐射贴片半径,R2为短路柱半径,R3为圆形接地板半径,R4为介质基板半径,W1为双弧形臂贴片与射频开关二极管连接处的宽度,W1c为双弧形臂辐射贴片的内弧形臂宽度,W2c为双弧形臂辐射贴片的外弧形臂宽度,L1为双弧形臂辐射贴片的内弧形臂与圆形辐射贴片边缘的距离,L2为双弧形臂辐射贴片的内外弧形臂之间的距离,a为短路柱圆面中心轴线与介质基板圆面中心轴线距离,Pad_L为方形焊盘的边长,Pad_R为圆环缝隙内圆半径,Slot_L为圆环缝隙的宽度,Slot_D为圆环缝隙圆面中心轴线与介质基板圆面中心轴线距离,θ1为单个双弧形臂辐射贴片的弧度,θ2为每个双弧形臂辐射贴片之间的间隔弧度。
该低剖面全向左右旋圆极化可重构天线的具体制造过程为:首先选取对应参数的介质基板,介质基板为双面覆金属层板。在介质基板上表面金属层制造圆形辐射贴片、双弧形臂辐射贴片和焊盘,在介质基板下表面金属层制造圆形接地板和接地板上的圆环缝隙。将6个射频开关二极管以每个正负反向偏置状态焊接在双弧形臂辐射贴片和圆形辐射贴片之间的空隙位置。将3个位于介质基板上表面的贴片电感焊接在焊盘与双弧形臂辐射贴片的外弧形臂之间。将1个位于介质基板下表面的贴片电感跨过圆环缝隙,焊接在圆环缝隙内导体贴片和圆环缝隙外导体贴片之间。过孔柱贯穿介质基板和上下金属层焊接。同轴馈电探针的内导体贯通圆形接地板中心和介质基板中心,通过过孔焊接到圆形辐射贴片中心,圆形辐射贴片中心为馈电点,同轴馈电探针外导体与圆形接地板焊接。将三根导线分别介质基板上表面的三个焊盘焊接后合为一根导线,与直流电源一端连接,直流电源另一端与圆环缝隙内导体贴片焊接,构成完整的全向左右旋圆极化可重构天线。
图4和图5为本发明实施例在2492 MHz时左右旋圆极化在水平面的全向轴比图,平均轴比分别为1.24 dB和1.25 dB。图6、图7、图8、图9为本发明实施例在2492 MHz时垂直面和水平面的增益方向图,左右旋圆极化时全向不圆度0.10 dB和0.11 dB,交叉极化平均值分别为-21.72 dB和-21.49 dB。
本发明全向圆极化辐射性能好、能实现全向的左右旋圆极化切换、损耗小、低剖面,整个天线可完全由普通的平面电路加工工艺实现易于加工、成本低廉,解决了现有技术中全向左右旋圆极化可重构天线结构复杂,集总元件较多引入损耗大的问题。
本技术领域技术人员可以理解的是,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种低剖面全向左右旋圆极化可重构天线,其特征在于,包含介质基板、圆形辐射贴片、N个双弧形臂辐射贴片、2N个射频开关二极管、N+1个贴片电感、N个焊盘、圆形接地板、N个短路柱、同轴馈电探针和直流电源,N为大于等于3的自然数;
所述介质基板呈圆形,所述圆形辐射贴片、圆形接地板分别贴装在所述介质基板的上表面、下表面,圆形辐射贴片、圆形接地板、介质基板同轴,且圆形接地板半径大于圆形辐射贴片半径;
所述双弧形臂辐射贴片包含两段同心的、内外分布的弧形臂,且两段弧形臂的两端分别相连;
所述N个双弧形臂辐射贴片和所述圆形辐射贴片同心、围绕所述圆形辐射贴片均匀的贴装在所述介质基板的上表面上, 所述N个双弧形臂辐射贴片的两端和所述2N个射频开关二极管一一对应、通过所述2N个射频开关二极管和所述圆形辐射贴片相连,且相邻射频开关二极管反向偏置;
所述N个焊盘均贴装在所述介质基板的上表面上、通过N个贴片电感和所述N个双弧形臂辐射贴片的外侧弧形臂一一对应相连;
所述圆形接地板上设有环形缝隙,将所述圆形接地板分割为贴装在所述介质基板下表面的内贴片和外贴片;所述内贴片通过一个贴片电感和所述外贴片相连;
所述直流电源一端分别和所述N个焊盘相连,另一端和所述内贴片相连;
所述圆形辐射贴片在所述N个双弧形臂辐射贴片的等角线上设有N个短路过孔,且所述N个短路过孔和圆形辐射贴片圆心之间的距离相等;
所述介质基板、圆形接地板上均设有和所述圆形辐射贴片上N个短路过孔一一对应的短路过孔;
所述N个短路柱一一对应设置在圆形辐射贴片的N个短路过孔中,将圆形辐射贴片的N个短路过孔和所述介质基板的N个短路过孔、圆形接地板的N个短路过孔一一对应连接;
所述介质基板、圆形接地板的圆心处均设有供所述同轴馈电探针内导体穿过的通孔,所述圆形辐射贴片的圆心处设有用于和所述同轴馈电探针内导体相连的过孔;
所述同轴馈电探针的内导体穿过所述介质基板、圆形接地板的圆心处的通孔,和所述圆形辐射贴片的圆心处的过孔相连;
所述同轴馈电探针的外导体与圆形接地板相连。
2.根据权利要求1所述的低剖面全向左右旋圆极化可重构天线,其特征在于,N的值为3。
3.根据权利要求1所述的低剖面全向左右旋圆极化可重构天线,其特征在于,所述介质基板为单层介质基板。
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