CN108232455A - 一种基于射频开关电路的单辐射体方向图重构天线设计方法 - Google Patents

一种基于射频开关电路的单辐射体方向图重构天线设计方法 Download PDF

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张彪
王小飞
杨顺
吴川
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Abstract

本发明为一种基于射频开关电路的单辐射体方向图重构天线设计方法，通过开关电路对天线中的射频端口和注入方向进行选择，天线采取双端口对称设计，利用不同端口工作时的极化方向不同，生成两种不同极化的方向图，利用单端口工作时的相位差，生成不同方向的方向图。天线原理简明、结构紧凑、轻便以加工，可以用于未来机载多极化方式、多方向链路通信等的射频前端设计。

Description

一种基于射频开关电路的单辐射体方向图重构天线设计方法
一、背景技术
传统的天线极化方向图重构技术通常采用对天线辐射单元的冗余设计实现。具体方式为水平极化方式设计一型辐射单元，垂直极化方式时再设计一型辐射单元，将两个辐射单元集成在一起，通过单个或多个端口进行输入，从而产生方向图重构。其存在结构设计复杂、天线辐射单元之间隔离度不高、难以形成阵列、方向性增益低等缺点。
二、发明内容：发明目的、发明技术方案、积极效果
发明目的：
1.针对通过增加辐射器实现方向图重构的方式，本发明采用单个天线辐射器形成不同的极化方式和方向性图；
2.天线设计采用单个辐射器，不存在多个不同极化辐射器的隔离度设计问题，天线结构紧凑；
3.针对在辐射器内部增加开关器件以对方向图进行控制，设计复杂度高的问题，本发明在天线输入端采用射频开关矩阵进行输入方式选择，形成可重构方向图，结构简单，容易实现；
4.本发明的天线辐射器采用阵列设计，便于扩展，易于对天线增益进行设计。
技术方案：
一种基于射频开关电路的单辐射体方向图重构天线设计方法，包括以下步骤：
1.天线设计采用在介质集成波导结构上开槽，形成缝隙天线阵的方式实现，其中缝隙与波导窄壁成45°角，为斜缝隙结构，此结构在波导的两端进行射频馈电，可分别产生45°和-45°辐射方向图。
2.对介质集成波导进行对称折叠设计，其中折叠后弯折处采用耦合结构，电磁波在耦合处形成180°相差，结合折叠后电磁波传输方向的180°相位差，折叠后整个阵列相位特征与不折叠时一致，阵列构成形式不变。以耦合处为分界线，利用两部分介质集成波导缝隙天线阵辐射单元之间的90°夹角，当两端同时输入时，共同形成圆极化方向图。
3.折叠式介质集成波导缝隙天线阵结构形式为对称设计，在两端端口处各自连接一段四分之一波长微带线分支，分别扩展为2个相差90°的双输入端口，此时天线阵列输入口共计4个。
4.扩展后的4个输入端口，通过射频开关阵列对多个输入端口进行导通选择控制，实现阵列方向图重构。
5.开关阵列由一个双刀双掷开关和单刀双掷开关，其中两个单刀双掷开管连接于双刀双掷开关后端。双刀双掷开关实现对天线阵列的上、下输入端口进行选择，单刀双掷开关实现对0相差和90°相差两种输入方式的选择。
6.当双刀双掷开关导通其中一个通道，对应的后端单刀双掷任意闭合一个输入端口，此时相当于输入信号选择上方或下方端口输入，为单个端口输入模式，可分别形成45°方向和-45°辐射方向性图；
7.当双刀双掷开关同时导通两个通道，后端两个单刀双掷开关一个选择0 相差输入，一个选择90°相差输入，此时阵列的上下两个输入端口的相位相差90°，可分别形成左旋圆极化和右旋圆极化方向图。
积极效果：
通过对天线方向图的重构，可以实现对不同方向、不同极化方式的设备进行定向通信。同时采用射频开关阵列进行控制，实现快速的重构方向图切换，从而实现同时多点通信。重构天线的阵列扩展性能，易于提高通信的定向性和安全性。该发明可以用于未来无人机编队间的定向通信和数据传输。
三、附图说明
图1双刀双掷开关：DP2T，单刀双掷开关：SP2T
图2天线方向图
四、具体实施方式
利用射频开关矩阵实现不同输入端口的控制；
1.当微波信号通过DP2T输入端进入后，此时DP2T上支路导通，下支路截止；上支路的SP2T此时可以选择端口1或2导通，任意导通其中一个后，电磁波通过传输线进入介质集成波导内部，并通过缝隙进行辐射，在介质集成波导折叠处，耦合进入下半部分，耦合处两端相位相差180°，由于波的传播方向相反，相当于相位再次相差180°，因此，折叠后整个阵列相位特征与不折叠时一致，阵列构成形式不变，形成-45°方向辐射波束。当DP2T下支路导通，上支路截止，此时下支路的SP2T此时可以选择端口3或4导通，和上支路时远离类似，波束通过上下两部分辐射缝隙形成完整的天线阵列，由于下支路进入时辐射缝隙和上支路进入时缝隙角度相差90度，因此辐射方向相差90度，为45°方向辐射波束。通过开关矩阵的控制，实现辐射方向图波束指向的重构控制。
2.当微波信号通过DP2T输入端进入后，此时DP2T上下支路均导通；上支路的SP2T选择端口1导通，下支路选择端口3导通，其中端口3由于四分之一波长微带线的原因，其输入信号的相位比端口1延迟90°。此时，当电磁波通过传输线进入介质集成波导内部，并通过缝隙进行辐射时，上下两部分截止集成波导内的电磁波相位相差90°，同时辐射缝隙相差90°，因此电磁波在空间叠加后，与圆极化天线辐射特征相同，形成右旋圆极化波，波束则指向天线缝隙所在表面的法线方向。同理，当DP2T上下支路均导通；上支路的SP2T选择端口2导通，下支路选择端口4导通，端口2的输入信号相位比端口4延迟90°，上下两部分介质集成波导辐射的电磁波在空间叠加后，为左旋圆极化波，波束指向天线缝隙所在表面的法线方向。通过开关矩阵的控制，实现辐射方向图极化重构控制。

Claims (1)

1.一种基于射频开关电路的单辐射体方向图重构天线设计方法，其特征在于：通过以下步骤实现；
1)天线设计采用在介质集成波导结构上开槽，形成缝隙天线阵的方式实现，其中缝隙与波导窄壁成45°角，为斜缝隙结构，此结构在波导的两端进行射频馈电，可分别产生45°和-45°辐射方向图；
2)对介质集成波导进行对称折叠设计，其中折叠后弯折处采用耦合结构，电磁波在耦合处形成180°相差，结合折叠后电磁波传输方向的180°相位差，折叠后整个阵列相位特征与不折叠时一致，阵列构成形式不变；以耦合处为分界线，利用两部分介质集成波导缝隙天线阵辐射单元之间的90°夹角，当两端同时输入时，共同形成圆极化方向图；
3)折叠式介质集成波导缝隙天线阵结构形式为对称设计，在两端端口处各自连接一段四分之一波长微带线分支，分别扩展为2个相差90°的双输入端口，此时天线阵列输入口共计4个；
4)扩展后的4个输入端口，通过射频开关阵列对多个输入端口进行导通选择控制，实现阵列方向图重构；
5)开关阵列由一个双刀双掷开关和单刀双掷开关，其中两个单刀双掷开管连接于双刀双掷开关后端；双刀双掷开关实现对天线阵列的上、下输入端口进行选择，单刀双掷开关实现对0相差和90°相差两种输入方式的选择；
6)当双刀双掷开关导通其中一个通道，对应的后端单刀双掷任意闭合一个输入端口，输入信号选择上方或下方端口输入，为单个端口输入模式，可分别形成45°方向和-45°辐射方向性图；
7)当双刀双掷开关同时导通两个通道，后端两个单刀双掷开关一个选择0相差输入，一个选择90°相差输入，此时阵列的上下两个输入端口的相位相差90°，可分别形成左旋圆极化和右旋圆极化方向图。
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