CN108448256A - 一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，缝隙天线包括一个“X”字形的主辐射缝隙，两个寄生缝隙和一个AMC表面。主辐射缝隙的电长度设置为约1‑λ，两个寄生缝隙分别加载了一个PIN二极管，使用AMC表面使天线辐射方向图具有定向性，同时减小后瓣辐射。本发明通过采用电长度为1‑λ的主辐射缝隙实现宽阻抗带宽，控制寄生缝隙上的两个PIN二极管可以在三个状态之间离散地切换辐射波束的主瓣方向，AMC表面可以使天线在低剖面高度情况下具有单向高增益和低后瓣的辐射方向图；无需占据大空间和较多元器件来实现波束离散扫描的效果，电路结构简单，设计简便，频带较宽，大小紧凑，成本较低。

Description

一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线
技术领域
本发明涉及无线移动通信领域的天线研究领域，特别涉及一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线。
背景技术
可控波束天线对信道环境具有灵活的适应性，可以扩大传送信号的覆盖范围。因此可应用于很多方面，比如卫星通信、雷达、遥感和WLAN等。在过去一段时间里，提出了大量的可控波束天线，主要基于五种方式，包括使用巴特勒矩阵、相控阵、可重构的电磁超表面、控制寄生元件和激励辐射体的不同工作模式。在这些模式中，使用相控阵和巴特勒矩阵是两种传统的方式。巴特勒矩阵具有低损耗、宽频带的优点，相控阵天线辐射性能好且光扫描较快。然而，使用相控阵和巴特勒矩阵实现方向图可重构往往需要激励多个辐射单元，天线整体结构非常笨重和复杂。
为了解决这个问题，许多研究人员试图通过使用一种没有复杂的馈电网络的单个辐射单元、在固定频带中设计出可控波束天线。第一个方式是使用可重构的电磁超表面，波束扫描天线是通过控制辐射体周围的有源频率选择表面来实现的，可控波束天线设计依赖可重构电磁超表面的Fabry–Pérot腔。文献《R.Guzmán-Quirós,A.R.Weily,J.L.Gómez-Tornero and Y.J.Guo,“AFabry–Pérot antenna with two-dimensional electronicbeam scanning,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.64,no.4,pp.1536-1541,Apr.2016.》中的设计可以实现超过10dBi的高增益，但是它们占据空间较大，而且需要很多的有源器件去控制单个单元的电磁超表面。有的设计中有源器件的数量甚至达到了大约240个，大大增加了制造成本和整体结构的复杂性。与使用可重构电磁超表面的方式相比，可控波束天线使用第二种方式来控制主要辐射体周围的寄生部分的尺寸和结构，从而调控辐射波束；PIN二极管通过控制准八木天线的控制体去实现波束调换，但是带宽被限制。这个设计在《P.Y.Qin,Y.J.Guo and C.Ding,“Abeam switching quasi-Yagidipoleantenna,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.61,no.10,pp.4891-4899,Oct.2013.》中也需要许多PIN二极管来实现可重构，以及许多集总电感和电容实现直流偏磁。第三，可控波束天线认为是辐射体的可重构结构。辐射体的形状改变是为了激活不同的工作模式，调谐辐射波束。然而，它们的运行带宽很窄。通过激励不同的馈电端口，辐射波束指向不同的方向，但它们都需要额外的馈电网络来实现波束扫描，增大了整体结构的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，该天线可克服现有技术中带宽窄和结构复杂的缺陷。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，缝隙天线分为上下两部分，上部分包括第一介质基板，在第一介质基板上方蚀刻一条馈电线，下方蚀刻主辐射缝隙和两个寄生缝隙，主辐射缝隙呈“X”字形，电长度设置为1-λ，λ表示波长，两个寄生缝隙中分别放置一个用于实现对辐射波束控制的PIN二极管；馈电线一端短路连接第一介质基板的底部金属平面，另一端与同轴电缆的内芯相连；下部分包括第二介质基板以及印刷在其上面的AMC(Artificial Magnetic Conductors，人工磁导体)表面，第一介质基板、第二介质基板相平行，同轴线缆穿过AMC表面给主辐射缝隙馈电。本发明主辐射缝隙的电长度设置为1-λ可实现宽带性能，使用AMC表面使天线辐射方向图具有定向性，同时减小后瓣辐射。
优选的，“X”字形的主辐射缝隙夹角为60°。大大减少了主辐射缝隙所占尺寸。
优选的，两个寄生缝隙分别设置在第一介质基板底部金属平面的上部和下部，在寄生缝隙两端设有狭缝。上述两个狭缝将第一介质基板底部金属平面划分为上、中、下3个部分，狭缝用于直流隔离。
更进一步的，在狭缝上放置有若干个电容器。以保持底部金属平面上RF电流的连续性。
优选的，所述AMC表面由8×8的周期性贴片单元组成，可使辐射波束具有定向性，同时减小后瓣辐射。
更进一步的，所述AMC表面与第一介质基板之间有0.2λ0～0.3λ0的距离，λ0为5.1GHz自由空间波长。
优选的，其中一个PIN二极管D1的阳极通过第一介质基板底部金属平面的上部和控制电压V1连接，另一个PIN二极管D2的阳极和控制电压V2被添加在第一介质基板底部金属平面的下部，D1和D2电容器的阴极和底部金属平面的中间部分相连。通过上述布置可尽量减少集总元件和直流电路对天线RF性能的影响。
优选的，第一介质基板、第二介质基板用若干根尼龙柱来固定。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明主辐射缝隙呈“X”字形，电长度设置为1-λ，该工作模式可实现宽阻抗带宽。
2、本发明中在寄生缝隙中放置PIN二极管，通过该PIN二极管可以在三个状态之间离散地切换辐射波束的主瓣方向。
3、本发明中缝隙天线分为上下两部分，在下部分第二介质基板上印刷AMC表面，可以使天线具有单向高增益和低后瓣的辐射方向图，同时确保了低剖面高度。
4、本发明缝隙天线无需占据大空间和较多元器件来实现要求，降低了结构的复杂度，电路结构简单，设计简便，频带较宽，大小紧凑，成本较低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种简单的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线的示意图；
图2(a)是本发明实施例提供的缝隙天线的俯视图；
图2(b)是本发明实施例提供的缝隙天线的第一介质基板中金属地板示意图；
图3是本发明一个实施例提供的工作在三种状态的反射系数S11-频率的仿真结果图：图3(a)I状态；图3(b)II状态；图3(c)III状态；
图4是本发明一个实施例提供的人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线在三种状态下5.1GHz处的仿真3D辐射方向图：图4(a)I状态；图4(b)II状态；图4(c)III状态；
图5是本发明一个实施例提供的简单结构的人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线在I、II和III状态下分别在(a)4.9GHz、(b)5.1GHz、(c)5.3GHz、(d)5.5GHz处的E-面的仿真辐射方向图；
图6是本发明一个实施例提供的简单结构的人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线分别在在I、II和III状态下(a)4.9GHz、(b)5.1GHz、(c)5.3GHz、(d)5.5GHz处的E-面的测试辐射方向图；
图7是本发明实施例提供的波束的仿真主瓣方向；
图8是本发明实施例提供的分别在I、II和III状态的最大增益曲线-频率的仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于描述，下文和附图都将以宽频带波束可控缝隙天线为例来说明本发明实施例提供的缝隙天线的结构，应当理解的是，本发明实施例并不限于宽频带波束可控缝隙天线，而应包含所有具备本发明特征的所有可重构天线。
请参见图1，是本发明实施例提供的一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线的示意图。该天线包括第一介质基板1，馈电线2，尼龙柱子3，第二介质基板4，AMC表面5和同轴电缆6，两块基板通过四根尼龙柱子3来固定，馈电线2放置在第一介质基板1的顶部，以达到良好的阻抗匹配，馈电线2的一端短路连接第一介质基板1的底部金属平面，它的另一端与50Ω的同轴电缆6内芯相连，且同轴电缆的外导体与AMC表面地板相连，AMC表面蚀刻在第二介质基板的上面，使所提出的天线在低剖面的情况下具有单向辐射性。
在图1所示的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线的实施例中，用RogersRO 4350B介质基板分别形成0.8mm厚的第一介质基板1和1.6mm厚的第二介质基板4，在第一介质基板1和第二介质基板4的底面用0.035mm厚的PEC板来形成金属地板。Rogers RO4350B介质基板可以用相对介电常数εr＝3.48、损耗正切值为0.004的材料加工而成。
如图1所示，AMC表面5由8×8周期性贴片单元组成，与第一介质基板1有15.0mm(约0.25λ0，λ0为5.1GHz自由空间波长)的距离。AMC表面5的贴片单元的大小为7.7mm，相邻的单元之间间隙为0.7mm，AMC在±45°反射相的工作带宽是4.6-6.1GHz(1.5GHz，28％)。
下面将参考图2(a)、(b)详细描述第一介质基板1上各部分结构。
如图2(a)、(b)所示，第一介质基板1包括馈电端口7，PIN二极管8，窄缝10，第一寄生缝隙9和第二寄生缝隙12，以及“X”字形的主辐射缝隙11。第一介质基板上表面有一条宽度较窄、折叠状的宽度为0.5mm的馈电线，用以达到良好的阻抗匹配。第一介质基板1底面上的两个狭缝10将除第一寄生缝隙9和第二寄生缝隙12之外的第一介质基板的底部金属平面划分为上、中、下3个部分，用于直流隔离。
如图2(b)所示，对称地蚀刻在第一介质基板的底部金属平面上的“X”字形主辐射缝隙11、第一寄生缝隙9和第二寄生缝隙12作为反射器，“X”字形辐射缝隙的长度为43.0mm，夹角为60°，大大减少了主辐射缝隙所占尺寸，且电长度设置为1-λ，更容易实现宽阻抗带宽。两个1.2×0.8×0.55mm3的英飞凌PIN二极管8用于实现提出的波束可控缝隙天线的可重构性。PIN二极管D1的阳极通过上基板底部金属平面的上部和控制电压V1连接，PIN二极管D2的阳极和控制电压V2被添加在底部金属平面的下部，D1和D2电容器的阴极和底部金属平面的中间部分相连，可尽量减少集总元件和直流电路对天线RF性能的影响。
另外，16个100pF的电容器被放置在狭缝10上，上下各8个，以保持底部金属平面上RF电流的连续性。
如图3(a)、(b)、(c)所示，是本发明一个实施例提供的分别工作在I、II和III状态的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的仿真结果图。可以看出仿真的阻抗带宽在状态I、II和III分别为3.96-6.01GHz，3.76-6.10GHz和4.27-6.09GHz，仿真的重叠阻抗带宽为4.27-6.01GHz(1.74GHz，33.9％)。测试的阻抗带宽在状态I，II和III分别为3.99-6.07GHz，3.84-6.10GHz和4.26-6.11GHz。测试的重叠阻抗带宽为4.26-6.07GHz(1.81GHz，35.0％)。可以看出，在所有的三个状态中，仿真结果S11和测试结果S11有很好的一致性。
如图4(a)、(b)、(c)所示，是本发明一个实施例提供的分别工作在状态I、II和III下5.1GHz处的仿真3D辐射方向图。AMC表面使天线具有单向高增益和低后瓣的辐射方向图，同时确保了低剖面高度。
如图5和图6所示，是本发明一个实施例提供的简单的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线在I、II和III状态下以0.2GHz为间隔，从4.9GHz到5.5GHz的E-面的仿真和测试辐射方向图。可以看出，在带宽从4.9GHz到5.5GHz情况下，该天线可以实现良好的波束可重构性和高增益的性能，在状态I中辐射方向图指向+Z方向，在状态II中向-Y轴方向倾斜，在状态III中向+Y轴方向倾斜，在不同的状态下，辐射方向图有约48°的3dB波束宽度，在所有状态下，后瓣比主瓣少10dB。
如图7所示，是本发明实施例提供的波束的仿真主瓣方向在状态I、II和III下分别是0°、-36°、36°。
如图8所示，是本发明实施例提供的分别在I、II和III状态的最大增益曲线-频率的仿真结果，测得的主瓣方向在状态I中从3°到5°浮动，在状态II中从-28°到-32°浮动，在状态III下从28°到37°浮动。在增益曲线中显示仿真结果的最大增益范围为状态I下从6.1至7.8dBi，状态II下从7.6到9.4dBi，状态III下从7.9到9.2dBi。可以看出，在状态I的最大增益低于工作频带中的状态II和III的最大增益，这是因为在II和III状态中主辐射缝隙和一个寄生缝隙形成了两个单元阵列，并且它们的辐射叠加在一起。虽然在状态I中只有主辐射缝隙运行，其增益低于前述两个元素阵列，但测得的最大增益相当接近仿真值，仿真增益和测试增益之间的差异是因为制造和测试误差。
本发明实施例具有如下优点：
1、采用全波长辐射缝隙实现宽频带效果，有更稳定、更小的输入阻抗，具有11.54％的工作带宽；
2、采用PIN开关控制反射器电长度，从而选择性切换反射器，该天线的辐射波束主瓣方向可以从0°、-36°到36°离散地切换；
3、采用寄生缝隙结构作为反射器控制方向图的偏移；
4、采用AMC反射面实现天线单向辐射；
5、与以前的工作相比，该天线具有更宽的带宽、简单和紧凑的结构、更少的有源元件，也有相当高的增益，因此该天线具有更好的性能。
本发明提供的实施例可应用于各类无线通信系统的接收和发射设备中，由于本发明的宽频带特性，特别适用于在复杂结构的通信场景中，工作在4.9-5.5GHz频段的天线。同时受益于PIN开关、寄生缝隙和AMC反射面，本发明也具有选择性切换反射器、控制方向图的偏移、实现天线单向辐射的能力。
以上所描述的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，缝隙天线分为上下两部分，上部分包括第一介质基板，在第一介质基板上方蚀刻一条馈电线，下方蚀刻主辐射缝隙和两个寄生缝隙，主辐射缝隙呈“X”字形，电长度设置为1-λ，λ表示中心频率波长，两个寄生缝隙中分别放置一个用于实现对辐射波束控制的PIN二极管；馈电线一端短路连接第一介质基板的底部金属平面，另一端与同轴电缆的内芯相连；下部分包括第二介质基板以及印刷在其上面的AMC表面，第一介质基板、第二介质基板相平行，同轴线缆穿过AMC表面给主辐射缝隙馈电。
2.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，“X”字形的主辐射缝隙相互之间夹角为60°。
3.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，两个寄生缝隙分别设置在第一介质基板底部金属平面的上部和下部，在寄生缝隙两端设有狭缝。
4.根据权利要求3所述的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，在狭缝上放置有若干个电容器。
5.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，所述AMC表面由8×8的周期性贴片单元组成。
6.根据权利要求5所述的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，所述AMC表面与第一介质基板之间有0.2λ0～0.3λ0的距离，λ0为5.1GHz自由空间波长。
7.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，其中一个PIN二极管D1的阳极通过第一介质基板底部金属平面的上部和控制电压V1连接，另一个PIN二极管D2的阳极和控制电压V2被添加在第一介质基板底部金属平面的下部，D1和D2电容器的阴极和底部金属平面的中间部分相连。
8.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，第一介质基板、第二介质基板用若干根尼龙柱来固定。
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