CN107978869B - 一种宽带多极化重构缝隙天线及其极化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带多极化重构缝隙天线及其极化方法，宽带多极化重构缝隙天线包括四层介质基板，第一层下表面设有椭圆形金属贴片，第二次上表面设有第一馈电结构，第三层上表面设有金属层，金属层上设有准十字形缝隙、第四层上表面设有第二馈电结构，第四层下表面设有可重构的威尔金森功分器。由第一馈电结构、第二馈电结构馈电的准十字形缝隙天线可以实现超高端口隔离度的两个相互垂直方向的线极化辐射状态，威尔金森功分器由pin二极管导通不同的路径经由金属化通孔与第一馈线结构、第二馈线结构连接，可以实现‑45°线极化、45°线极化、±45°双线极化、左旋圆极化以及右旋圆极化五种不同的天线极化方式，相对带宽接近20%，充分适应不同的工作要求。

Description

一种宽带多极化重构缝隙天线及其极化方法

技术领域

本发明涉及电子通信领域，尤其涉及一种宽带多极化重构缝隙天线及其极化方法。

背景技术

随着无线通信系统的快速发展和广泛应用，极化可重构天线受到越来越多的关注。极化可重构天线可以在体积受限的空间内改变极化方式，增加额外的收发信道，在极化分集、频率复用、极化调制等方面做出了巨大的贡献。目前实现极化可重构的方法主要有可控馈电网络和可控缝隙。前者对馈电网络加载可变电抗或者切换馈电位置，产生不同工作模式的相位差，来实现极化的可重构。后者则是在天线合适的位置刻蚀缝隙，利用射频开关改变天线电流的流动路径，产生相位差，实现天线极化可重构。

传统天线由于天线数量较少给无线通信系统带来的各种束缚，不但天线的体积大、天线的重量大、天线的成本高，而且天线工作频带和工作模式都较单一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种宽带多极化重构缝隙天线及其极化方法，通过控制天线的威尔金森功分器的传输路径，实现天线-45°线极化、45°线极化、±45°双线极化、左旋圆极化以及右旋圆极化五种不同的天线极化方式。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种宽带多极化重构缝隙天线，包含从上到下依次设置四层介质基板；

所述四层介质基板均为矩形、中心点重合、且四层介质基板的长边均平行；

所述第一层介质基板的下表面设有椭圆形金属贴片，所述椭圆形金属贴片的长边和第一层介质基板的一条对角线重合、椭圆形金属贴片的短边和第一层介质基板的另一条对角线重合；

所述第二层介质基板的上表面和第三层介质基板的下表面之间通过至少三个支撑柱隔离，使得第二层介质基板的上表面和第三层介质基板的下表面平行且之间的距离等于预设的距离阈值；

所述第二层介质基板的上表面设有第一馈电结构；

所述第三层介质基板的上表面和所述第二层介质基板的下表面固连；

所述第三层介质基板的上表面设有金属层，所述金属层在其中心设有准十字形缝隙，所述准十字形缝隙包含长度相同的第一至第四缝隙，其中，第一、第三缝隙在一条和所述金属层长边平行的直线上，且第一、第三缝隙关于金属层的中心对称；第二、第四缝隙在一条和所述金属层短边平行的直线上，且第二、第四缝隙关于金属层的中心对称；

所述第四层介质基板的上表面和所述第三层介质基板的下表面固连；

所述第四层介质基板的上表面上设有第二馈电结构；

所述第一馈电结构、第二馈电结构均包含第一至第二U形末端微带线、第一至第二直线形连接微带线、U形连接微带线和直线形末端微带线；所述第一至第二U形末端微带线、U形连接微带线均包含两条短边和一条垂直连接两条短边的长边；所述第一、第二U形末端微带线开口相向；所述U形连接微带线的两端分别通过第一直线形连接微带线、第二直线形连接微带线和第一U形末端微带线的一端、第二U形末端微带线的一端相连；所述直线形末端微带线的一端和所述U形连接微带线长边的中点相连，所述直线形末端微带线和所述U形连接微带线长边垂直，所述直线形末端微带线和第一U形末端微带线的长边、第二U形末端微带线的长边、第一直线形连接微带线、第二直线形连接微带线均平行；

所述第一馈电结构的直线形末端微带线在所述金属层上的投影和所述第二、第四缝隙在同一条直线上，第一馈电结构的第一、第二U形末端微带线的长边在所述金属层上的投影分别和所述第一、第三缝隙垂直相交；

所述第二馈电结构的直线形末端微带线在所述金属层上的投影和所述第一、第三缝隙在同一条直线上，第二馈电结构的第一、第二U形末端微带线的长边在所述金属层上的投影分别和所述第二、第四缝隙垂直相交；

所述第四层介质基板的下表面设有威尔金森功分器；

所述威尔金森功分器包含第一U形贴片、第二U形贴片、T形贴片、第一直线贴片、第二直线贴片、第一L形贴片、第二L形贴片、以及第一至第二pin二极管；

所述T形贴片包含一条长边和垂直设置在该长边的上短边；

所述第一pin二极管的阳极和第一U形贴片的一端相连，阴极分别和第三pin二极管的阴极、第一L形贴片的一端相连；

所述第二pin二极管的阳极分别和T形贴片长边的一端、第四pin二极管的阳极相连，阴极和所述第一U形贴片的另一端相连；

所述第一直线贴片的一端和第三pin二极管的阳极相连，另一端和第四pin二极管的阴极相连；

所述第七pin二极管的阳极和第二U形贴片的一端相连，阴极分别和第五pin二极管的阴极、第二L形贴片的一端相连；

所述第八pin二极管的阳极分别和T形贴片长边的另一端、第六pin二极管的阳极相连，阴极和所述第二U形贴片的另一端相连；

所述第一直线贴片的一端和第五pin二极管的阳极相连，另一端和第六pin二极管的阴极相连；

所述第三层介质基板、第四层介质基板上设有用于与第一L形贴片的另一端和第一馈电结构直线形末端微带线的另一端连接的金属化通孔，并设有用于第二L形贴片的另一端和第二馈电结构直线形末端微带线的另一端连接的金属化通孔；

所述第三层介质基板、第四层介质基板上设有切角，使得所述T形贴片短边的顶端位于切角切线的中点。

本发明公开了一种该宽带多极化重构缝隙天线的极化方法，包含以下步骤：

令第一第三缝隙在45°方向，第二、第四缝隙在-45°方向；

当第一、第二pin二极管导通，第三至第八pin二极管截止时，第二、第四缝隙被激励，天线实现-45°线极化辐射；

当第七、第八pin二极管导通，第一至第六pin二极管截止时，第一、第三缝隙被激励，天线实现45°线极化辐射；

当第三至第六pin二极管导通，第一、第二、第七、第八pin二极管截止时，天线实现±45°双线极化辐射；

当第一、第二、第五、第六pin二极管导通，第三、第四、第七、第八pin二极管截止时，±45°方向的矩形缝隙同时被激励，天线实现左旋圆极化辐射；

当第三、第四、第七、第八pin二极管导通，第一、第二、第五、第六pin二极管截止时，±45°方向的矩形缝隙同时被激励，天线实现右旋圆极化辐射。

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：

本发明在高隔离度准十字交叉型缝隙天线的基础上，创新性地添加了可重构的非对称威尔金森功分器，相比于传统微带缝隙天线，可以在体积受限的空间内改变极化方式，增加额外的收发信道，突破了由于增加天线数量而给无线通信系统带来的各种束缚，不但减小了天线的体积，减轻了天线的重量，降低了天线的成本，而且可以使天线工作在多个频带并具有多个工作模式，从而实现了良好的传输特性；本发明采用相同的介质基板，设计简单，成本低廉，易于加工，操作方便，适应性广，满足多层次的通信需求。

天线工作时，控制威尔金森功分器上不同位置的pin二极管的工作状态（导通或截止），选择不同的电流路径，经由金属化通孔连接至上层的叉状馈电线，以此控制不同方向上的缝隙的不同耦合馈电状态，从而实现天线的极化可重构。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为准十字形缝隙和第一馈电结构、第二馈电结构相配合的结构示意图；

图3为威尔金森功分器的结构示意图；

图4为天线在 -45°线极化状态时回波损耗的方向图；

图5为天线在 -45°线极化状态、频率为3GHz时的方向图；

图6为天线工作在 45°线极化状态回波损耗的方向图；

图7为天线工作在 45°线极化状态、频率为3GHz时的方向图；

图8为天线工作在 ±45°双线极化状态时回波损耗的方向图；

图9为天线工作在 ±45°双线极化状态、频率为3GHz时的方向图；

图10为天线工作在左旋圆极化状态时回波损耗的方向图；

图11为天线工作在左旋圆极化状态、频率为3GHz时的方向图；

图12为天线工作在右旋圆极化状态时回波损耗的方向图；

图13为天线工作在右旋圆极化状态、频率为3GHz时的方向图。

图中，1-椭圆形金属贴片，2-准十字形缝隙，3-第一馈电结构，4-威尔金森功分器，5-金属化通孔，6-介质基板。

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：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种宽带多极化重构缝隙天线，包含从上到下依次设置四层介质基板；

所述四层介质基板均为矩形、中心点重合、且四层介质基板的长边均平行；

所述第一层介质基板的下表面设有椭圆形金属贴片，所述椭圆形金属贴片的长边和第一层介质基板的一条对角线重合、椭圆形金属贴片的短边和第一层介质基板的另一条对角线重合；

所述第二层介质基板的上表面和第三层介质基板的下表面之间通过至少三个支撑柱隔离，使得第二层介质基板的上表面和第三层介质基板的下表面平行且之间的距离等于预设的距离阈值；

所述第二层介质基板的上表面设有第一馈电结构；

所述第三层介质基板的上表面和所述第二层介质基板的下表面固连；

所述第三层介质基板的上表面设有金属层，所述金属层在其中心设有准十字形缝隙，所述准十字形缝隙包含长度相同的第一至第四缝隙，其中，第一、第三缝隙在一条和所述金属层长边平行的直线上，且第一、第三缝隙关于金属层的中心对称；第二、第四缝隙在一条和所述金属层短边平行的直线上，且第二、第四缝隙关于金属层的中心对称；

所述第四层介质基板的上表面和所述第三层介质基板的下表面固连；

所述第四层介质基板的上表面上设有第二馈电结构；

如图2所示，所述第一馈电结构、第二馈电结构均包含第一至第二U形末端微带线、第一至第二直线形连接微带线、U形连接微带线和直线形末端微带线；所述第一至第二U形末端微带线、U形连接微带线均包含两条短边和一条垂直连接两条短边的长边；所述第一、第二U形末端微带线开口相向；所述U形连接微带线的两端分别通过第一直线形连接微带线、第二直线形连接微带线和第一U形末端微带线的一端、第二U形末端微带线的一端相连；所述直线形末端微带线的一端和所述U形连接微带线长边的中点相连，所述直线形末端微带线和所述U形连接微带线长边垂直，所述直线形末端微带线和第一U形末端微带线的长边、第二U形末端微带线的长边、第一直线形连接微带线、第二直线形连接微带线均平行；

所述第一馈电结构的直线形末端微带线在所述金属层上的投影和所述第二、第四缝隙在同一条直线上，第一馈电结构的第一、第二U形末端微带线的长边在所述金属层上的投影分别和所述第一、第三缝隙垂直相交；

所述第二馈电结构的直线形末端微带线在所述金属层上的投影和所述第一、第三缝隙在同一条直线上，第二馈电结构的第一、第二U形末端微带线的长边在所述金属层上的投影分别和所述第二、第四缝隙垂直相交；

所述第四层介质基板的下表面设有威尔金森功分器；

如图3所示，所述威尔金森功分器包含第一U形贴片、第二U形贴片、T形贴片、第一直线贴片、第二直线贴片、第一L形贴片、第二L形贴片、以及第一至第二pin二极管；

所述T形贴片包含一条长边和垂直设置在该长边的上短边；

所述第一pin二极管的阳极和第一U形贴片的一端相连，阴极分别和第三pin二极管的阴极、第一L形贴片的一端相连；

所述第二pin二极管的阳极分别和T形贴片长边的一端、第四pin二极管的阳极相连，阴极和所述第一U形贴片的另一端相连；

所述第一直线贴片的一端和第三pin二极管的阳极相连，另一端和第四pin二极管的阴极相连；

所述第七pin二极管的阳极和第二U形贴片的一端相连，阴极分别和第五pin二极管的阴极、第二L形贴片的一端相连；

所述第八pin二极管的阳极分别和T形贴片长边的另一端、第六pin二极管的阳极相连，阴极和所述第二U形贴片的另一端相连；

所述第一直线贴片的一端和第五pin二极管的阳极相连，另一端和第六pin二极管的阴极相连；

所述第三层介质基板、第四层介质基板上设有用于与第一L形贴片的另一端和第一馈电结构直线形末端微带线的另一端连接的金属化通孔，并设有用于第二L形贴片的另一端和第二馈电结构直线形末端微带线的另一端连接的金属化通孔；

所述第三层介质基板、第四层介质基板上设有切角，使得所述T形贴片短边的顶端位于切角切线的中点。

所述可重构的威尔金森功分器与8只pin二极管（A1，A2，B1，B2，C1，C2，D1，D2）相连，pin二极管用于控制电流路径通断，所述可重构的威尔金森功分器左右结构非对称。

所述金属化通孔上下两端分别连接两条叉状馈电线和可重构的威尔金森功分器。天线工作时，控制威尔金森功分器上不同位置的pin二极管的工作状态（导通或截止），选择不同的电流路径，经由金属化通孔连接至上层的叉状馈电线，以此控制不同方向上的缝隙的不同耦合馈电状态，从而实现天线的极化可重构。天线极化方向与水平方向的夹角为ψ，当pin二极管A1，A2导通，其余pin二极管截止时，ψ=-45°方向的两条矩形缝隙被激励，天线实现-45°线极化辐射，图4、图5为天线在 -45°线极化状态时的回波损耗和频率为3GHz时的方向图；当pin二极管D1，D2导通，其余pin二极管截止时，ψ=45°方向的两条矩形缝隙被激励，天线实现45°线极化辐射，图6、图7为天线在 45°线极化状态时的回波损耗和频率为3GHz时的方向图；当pin二极管B1，B2，C1，C2导通，其余pin二极管截止时，天线实现±45°双线极化辐射，图8、图9为天线工作在 ±45°双线极化状态时的回波损耗和频率为3GHz时的方向图；当pin二极管A1，A2，C1，C2导通，其余pin二极管截止时，±45°方向的矩形缝隙同时被激励，天线实现左旋圆极化辐射，图10、图11为天线工作在左旋圆极化状态时的回波损耗和频率为3GHz时的方向图；当pin二极管B1，B2，D1，D2导通，其余pin二极管截止时，±45°方向的矩形缝隙同时被激励，天线实现右旋圆极化辐射，图12、图13为天线工作在右旋圆极化状态时的回波损耗和频率为3GHz时的方向图。结果表明，具有五种不同的极化状态：-45°线极化，45°线极化，±45°双线极化，左旋圆极化和右旋圆极化波，同时满足较好的线极化和圆极化特性，带宽较宽，且剖面低，体积小，成本低，设计简单，易于加工和集成。

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 (2)

1.一种宽带多极化重构缝隙天线，其特征在于，包含从上到下依次设置四层介质基板；

所述四层介质基板均为矩形、中心点重合、且四层介质基板的长边均平行；

第一层介质基板的下表面设有椭圆形金属贴片，所述椭圆形金属贴片的长边和第一层介质基板的一条对角线重合、椭圆形金属贴片的短边和第一层介质基板的另一条对角线重合；

第二层介质基板的下表面和第三层介质基板的上表面之间通过至少三个支撑柱隔离，使得第二层介质基板的上表面和第三层介质基板的下表面平行且之间的距离等于预设的距离阈值；

所述第二层介质基板的上表面设有第一馈电结构；

所述第三层介质基板的上表面和所述第二层介质基板的下表面固连；

所述第三层介质基板的上表面设有金属层，所述金属层在其中心设有准十字形缝隙，所述准十字形缝隙包含长度相同的第一至第四缝隙，其中，第一、第三缝隙在一条和所述金属层长边平行的直线上，且第一、第三缝隙关于金属层的中心对称；第二、第四缝隙在一条和所述金属层短边平行的直线上，且第二、第四缝隙关于金属层的中心对称；

第四层介质基板的上表面和所述第三层介质基板的下表面固连；

所述第四层介质基板的上表面上设有第二馈电结构；

所述第一馈电结构、第二馈电结构均包含第一至第二U形末端微带线、第一至第二直线形连接微带线、U形连接微带线和直线形末端微带线；所述第一至第二U形末端微带线、U形连接微带线均包含两条短边和一条垂直连接两条短边的长边；所述第一、第二U形末端微带线开口相向；所述U形连接微带线的两端分别通过第一直线形连接微带线、第二直线形连接微带线和第一U形末端微带线的一端、第二U形末端微带线的一端相连；所述直线形末端微带线的一端和所述U形连接微带线长边的中点相连，所述直线形末端微带线和所述U形连接微带线长边垂直，所述直线形末端微带线和第一U形末端微带线的长边、第二U形末端微带线的长边、第一直线形连接微带线、第二直线形连接微带线均平行；

所述第一馈电结构的直线形末端微带线在所述金属层上的投影和所述第二、第四缝隙在同一条直线上，第一馈电结构的第一、第二U形末端微带线的长边在所述金属层上的投影分别和所述第一、第三缝隙垂直相交；

所述第二馈电结构的直线形末端微带线在所述金属层上的投影和所述第一、第三缝隙在同一条直线上，第二馈电结构的第一、第二U形末端微带线的长边在所述金属层上的投影分别和所述第二、第四缝隙垂直相交；

所述第四层介质基板的下表面设有威尔金森功分器；

所述威尔金森功分器包含第一U形贴片、第二U形贴片、T形贴片、第一直线贴片、第二直线贴片、第一L形贴片、第二L形贴片、以及第一至第八pin二极管；

所述T形贴片包含一条长边和垂直设置在该长边的上短边；

所述第一pin二极管的阳极和第一U形贴片的一端相连，阴极分别和第三pin二极管的阴极、第一L形贴片的一端相连；

所述第二pin二极管的阳极分别和T形贴片长边的一端、第四pin二极管的阳极相连，阴极和所述第一U形贴片的另一端相连；

所述第一直线贴片的一端和第三pin二极管的阳极相连，另一端和第四pin二极管的阴极相连；

所述第七pin二极管的阳极和第二U形贴片的一端相连，阴极分别和第五pin二极管的阴极、第二L形贴片的一端相连；

所述第八pin二极管的阳极分别和T形贴片长边的另一端、第六pin二极管的阳极相连，阴极和所述第二U形贴片的另一端相连；

所述第一直线贴片的一端和第五pin二极管的阳极相连，另一端和第六pin二极管的阴极相连；

所述第三层介质基板、第四层介质基板上设有用于与第一L形贴片的另一端和第一馈电结构直线形末端微带线的另一端连接的金属化通孔，并设有用于第二L形贴片的另一端和第二馈电结构直线形末端微带线的另一端连接的金属化通孔；

所述第三层介质基板、第四层介质基板上设有切角，使得所述T形贴片短边的顶端位于切角切线的中点。

2.基于权利要求1所述的宽带多极化重构缝隙天线的极化方法，其特征在于，包含以下步骤：

令第一第三缝隙在45°方向，第二、第四缝隙在-45°方向；

当第一、第二pin二极管导通，第三至第八pin二极管截止时，第二、第四缝隙被激励，天线实现-45°线极化辐射；

当第七、第八pin二极管导通，第一至第六pin二极管截止时，第一、第三缝隙被激励，天线实现45°线极化辐射；

当第三至第六pin二极管导通，第一、第二、第七、第八pin二极管截止时，天线实现±45°双线极化辐射；

当第一、第二、第五、第六pin二极管导通，第三、第四、第七、第八pin二极管截止时，±45°方向的矩形缝隙同时被激励，天线实现左旋圆极化辐射；

当第三、第四、第七、第八pin二极管导通，第一、第二、第五、第六pin二极管截止时，±45°方向的矩形缝隙同时被激励，天线实现右旋圆极化辐射。