CN108199136A - 一种基于pin管的方向图可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于PIN管的方向图可重构天线，该天线包括辐射体器、地板和多个引向器/反射器可调印制板；辐射器由印制板制成，印制板上蚀刻出偶极子及馈电单元，所述辐射器的下部固定在地板的中心，辐射器上的偶极子垂直于地板所在平面，以偶极子为中心均匀分布多个引向器/反射器可调印制板；多个引向器/反射器可调印制板均竖直固定在地板上，每个引向器/反射器可调印制板的结构均相同，包括能实现引向器功能/反射器功能的覆铜图形，在两个覆铜图形之间具有细缝，在该细缝中安装PIN管，所述PIN管通过相应的印制线分别与两个覆铜图形连接，所述印制线与地板连接，通过PIN管改变印制线长度，实现引向器和反射器的转换，从而改变天线的方向图。

Description

一种基于PIN管的方向图可重构天线
技术领域
本发明涉及一种基于PIN管的方向图可重构天线，具体地说，是指一种工作于S波段，具有方向图可重构特性的天线。
背景技术
伺服天线较多地应用于一点多址通信中，广泛地应用于军事、航天、遥控、遥测领域。在较低的频段中，伺服天线主要利用伺服电机，旋转关节完成对天线方向图的改变，一般伺服天线的价格较高，同时伺服电机容易对微波信号产生干扰；而随着现代通信技术的发展，在性能方面要求天线的指向速度要快；在结构尺寸方面，无线通信的应用平台越来越多，对无线通信设备的适装性要求越来越高，伺服电机尺寸一般较大在很多情况下无法满足要求。
考虑到上述情况，有必要为实际通信平台开发一种不需要天线电机伺服系统(天线电机伺服系统是包含天线伺服电机、电机驱动及指向控制等的一个系统设备)，而可以实现方向图指向变化的天线。
与以往天线形式相比，以往的可重构天线主要侧重于频率可重构、带宽可重构方面，在目前方向图可重构天线，其天线的形式为圆形扇面式结构，通过PIN管以模拟信号的形式对其进行控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种基于PIN管的方向图可重构天线，该天线工作于S波段，采用偶极子、引向器和反射器的结构形式，能使天线在带宽、增益等方面均有显著的提高，同时该天线不需要安装天线电机伺服系统，避免了现有技术中使用天线电机伺服系统而带来的价格高、搜索时电机转动对微波信号有干扰、尺寸大等问题的弊端，配合PIN管进行方向图的控制，能以数字控制的方式实现控制，结构更加简洁。
本发明的技术方案是：一种基于PIN管的方向图可重构天线，其特征在于该天线包括辐射体器、地板和多个引向器/反射器可调印制板；辐射器由印制板制成，印制板上蚀刻出偶极子及馈电单元，所述辐射器的下部固定在地板的中心，辐射器上的偶极子垂直于地板所在平面，以偶极子为中心均匀分布多个引向器/反射器可调印制板；多个引向器/反射器可调印制板均竖直固定在地板上，每个引向器/反射器可调印制板的结构均相同，包括能实现引向器功能/反射器功能的覆铜图形，在两个覆铜图形之间具有细缝，在该细缝中安装PIN管，所述PIN管通过相应的印制线分别与两个覆铜图形连接，所述印制线与地板连接，通过PIN管改变印制线长度，实现引向器和反射器的转换，从而改变天线的方向图；
所述偶极子的上半振子为矩形，下半振子为长条状，偶极子的下半振子与地板的地连接，上半振子与带状线的信号线连接，带状线连接馈电单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明天线改变了引向器与反射器的布局，同时采用PIN管对引向器和反射器进行了融合，能够通过数字信号控制使得引向/发射器可调印刷板工作在引向器或反射器状态下，优化了引向/发射器可调印刷板的形状结构尺寸，保证了天线的方向图的可重构性及天线的抗干扰性，具体表现如下：
1.增益高。增加反射器和引向器后，增加了偶极子天线的增益，天线增益比标准偶极子天线增加了5dBi。
2、带宽宽。通过调整辐射器的电路结构(微调馈电匹配电路，即其印制线的长短)，天线的驻波比小于2的带宽为2GHz～3GHz。
2.天线重量轻、体积小。采用印刷形式，降低天线厚度；采用PIN管控制天线方向图指向，取消了电机伺服系统，有效减小了设备的体积和尺寸；
3.结构简单，便于生产，一致性好。本发明用于发射和接收垂直极化电磁波，整个天线的辐射器由微波印制板构成，本发明天线形式对印制板加工精度要求不高，加工制作容易且成本低；全天线只是印制板，使得天线的一致性良好，便于天线的批量生产；
4.本发明天线由于不需要转动，辐射器、引向器/反射器可调印制板都通过焊接固定在一个地板上，该地板可以根据不同的安装需求改变其尺寸以满足安装。
5.本发明天线的波束切换时间很快，在50ns的时间里就可以完成波束的切换，切换方式也非常简单，通过控制给PIN管的高低电平，就可以完成切换，相对于现有天线切换时间仅达到100ns具有显著的进步。
附图说明
图1是本发明天线的整体示意图。
图2是本发明天线的偶极子的结构示意图。
图3是本发明天线的引向器/反射器可调印制板的结构示意图。
图4是本发明天线的驻波与频率的关系图。
图5是本发明天线的水平面方向图。
图中：1.辐射器，2.地板，3.PIN管，4、5、6、7.引向器/反射器可调印制板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明基于PIN管的方向图可重构天线(简称天线，参见图1-3)包括辐射体器1、地板2和多个引向器/反射器可调印制板(4～7)；辐射器1由印制板制成，印制板上蚀刻出偶极子及馈电单元，所述辐射器的下部固定在地板2的中心，辐射器上的偶极子垂直于地板所在平面，以偶极子为中心均匀分布多个引向器/反射器可调印制板(4～7)；多个引向器/反射器可调印制板(4～7)均竖直固定在地板2上，每个引向器/反射器可调印制板的结构均相同，包括能实现引向器功能/反射器功能的覆铜图形，在两个覆铜图形之间具有细缝，在该细缝中安装PIN管3(参见图3)，所述PIN管通过相应的印制线分别与两个覆铜图形连接，所述印制线与地板2连接，通过PIN管改变印制线长度，实现引向器和反射器的转换，从而改变天线的方向图；
所述偶极子的上半振子为矩形，下半振子为长条状，偶极子的下半振子与地板2的地连接，上半振子与带状线的信号线连接，带状线连接馈电单元。
本发明的进一步特征在于所述偶极子整体的长度是24mm，上半振子的宽度是5mm；所述引向器/反射器可调印制板的一个覆铜图形的尺寸为19.5mm*4mm，另一个覆铜图形的尺寸为10mm*4mm。
本发明的进一步特征在于所述引向器/反射器可调印制板的数量为四个。
本发明天线的地板尺寸为10cm×10cm，工作频段为S波段，根据具体需求，可以改变辐射器的尺寸来改变工作频段。
本发明的进一步特征在于辐射器1、地板2及引向器/反射器可调印制板均进行镀金处理，可有效为防止铜在空气中发生氧化，延长天线使用寿命。
本发明的进一步特征在于所述辐射器由微波印制板制成。
本发明天线的工作流程是：信号从馈电网络通过带状线将信号传送至辐射器1，带状线的信号线与偶极子的上半振子相连，地板的地与偶极子的下半振子相连，将电磁能量传给偶极子，从而产生辐射；引向器/反射器可调印制板通过相应的印制线与地板相连，并通过PIN管改变相应印制线长度，实现引向器和反射器的转换，从而改变天线的方向图。其流程如下，假定其中一块引向器/反射器可调印制板上PIN管控制信号为高电平(TTL)，引向器/反射器可调印制板上下两个金属图形实现了导通，使其连接成了一个图形，则该引向器/反射器可调印制板处于反射器状态；假定其中一块引向器/反射器可调印制板上PIN管控制信号为低电平(TTL)，引向器/反射器可调印制板上下两个金属图形不能导通，则该引向器/反射器可调印制板处于引向器状态；通过使用TTL数字电平控制引向器/反射器可调印制板上PIN管的状态，保证工作模式的变化。
本发明首次采用了一种制作简单的印制板结构，如图2和图3，这两种结构制作简单，成本低，仅采用了PIN管一种电子元器件，其余均依靠覆铜金属形状来实现。
实施例1
本实施例基于PIN管的方向图可重构天线，辐射器采用微波印制板构成，在微波印制板上蚀刻出偶极子功能单元和馈电单元。
本实施例天线中所述偶极子整体的长度是24mm，上半振子的宽度是5mm；所述引向器/反射器可调印制板的一个覆铜图形的尺寸为19.5mm*4mm，另一个覆铜图形的尺寸为10mm*4mm，两个覆铜部分之间细缝宽度为2mm。
本实施例中引向器/反射器可调印制板及辐射器均选用FR4板材，低成本，厚度为1mm，介电常数为4.4，该板材为市面上最常见，也是成本最低的板材，在设计中要充分考虑介电常数不稳定造成的指标偏离。
本实施例中引向器/反射器可调印制板的数量为四个，两个引向器/反射器可调印制板4和6与偶极子所在直线同两个引向器/反射器可调印制板5和7与偶极子所在直线相互垂直，且四个引向器/反射器可调印制板到偶极子中心的距离均相等，且按照前后左右的方位围绕偶极子布置。
图4为本实施例天线及仿真数据的驻波频率对比图，图中实线为本实施例天线驻波与频率的关系，图中虚线表示通过实验仿真得到的模拟数据，从图中可以看出，本实施例天线在频率为2GHz～3GHz下，驻波均小于2，与仿真结果一致；图5为方位面辐射方向图，增益为5.07dBi～2.75GHz。
图5中是在微波暗室测试方向图重新配置情况下的天线方向图情况，即将引向器/反射器可调印制板4通过控制PIN管状态为断开状态设置为引向器，将引向器/反射器可调印制板5、6及7通过控制PIN管状态为导通状态设置为反射器(参见图5中的c1)；
将引向器/反射器可调印制板5通过控制PIN管状态为断开状态设置为引向器，将引向器/反射器可调印制板4、6及7通过控制相应PIN管状态为导通状态设置为反射器(参见图5中的c2)；
将引向器/反射器可调印制板6通过控制PIN管状态为断开状态设置为引向器，将引向器/反射器可调印制板4、5及7通过控制相应PIN管状态为导通状态设置为反射器(参见图5中的c3)；
将引向器/反射器可调印制板7通过控制PIN管状态为断开状态设置为引向器，将引向器/反射器可调印制板4、5及6通过控制相应PIN管状态为导通状态设置为反射器(参见图5中的c4)。从图中可以看出，通过调整不同位置PIN管的通断状态会引起方向图的改变，实线方向图的重构。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种基于PIN管的方向图可重构天线，其特征在于该天线包括辐射体器、地板和多个引向器/反射器可调印制板；辐射器由印制板制成，印制板上蚀刻出偶极子及馈电单元，所述辐射器的下部固定在地板的中心，辐射器上的偶极子垂直于地板所在平面，以偶极子为中心均匀分布多个引向器/反射器可调印制板；多个引向器/反射器可调印制板均竖直固定在地板上，每个引向器/反射器可调印制板的结构均相同，包括能实现引向器功能/反射器功能的覆铜图形，在两个覆铜图形之间具有细缝，在该细缝中安装PIN管，所述PIN管通过相应的印制线分别与两个覆铜图形连接，所述印制线与地板连接，通过PIN管改变印制线长度，实现引向器和反射器的转换，从而改变天线的方向图；
所述偶极子的上半振子为矩形，下半振子为长条状，偶极子的下半振子与地板的地连接，上半振子与带状线的信号线连接，带状线连接馈电单元。
2.根据权利要求1所述的基于PIN管的方向图可重构天线，其特征在于所述偶极子整体的长度是24mm，上半振子的宽度是5mm；所述引向器/反射器可调印制板的一个覆铜图形的尺寸为19.5mm*4mm，另一个覆铜图形的尺寸为10mm*4mm。
3.根据权利要求1所述的基于PIN管的方向图可重构天线，其特征在于所述引向器/反射器可调印制板的数量为四个。
4.根据权利要求1所述的基于PIN管的方向图可重构天线，其特征在于辐射器、地板及引向器/反射器可调印制板均进行镀金处理。
5.根据权利要求1所述的基于PIN管的方向图可重构天线，其特征在于所述辐射器由微波印制板制成。
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