CN108493593A - 一种基于馈电网络的极化可重构天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于馈电网络的极化可重构天线阵列，由天线单元沿正交方向等间距排列形成天线阵列，每个天线单元包括一块方形介质基板，该介质基板的正面设有一层金属地，该金属地上开有2个金属化通孔，每个金属化通孔被一个L形金属探针穿过，且L形金属探针的一端伸出至金属地上方，另一端到达介质基板的背面，两个L形金属探针沿介质基板所在平面相互垂直，在L形金属探针的上方悬空设有一个切角正方形金属板，介质基板背面设有一条馈电支路，该馈电支路包含两条馈电枝节，每条馈电枝节分别与天线单元上的一个L形金属探针对应连接，所有馈电支路构成同轴馈电网络。本发明实现了天线阵列发射线极化电磁波或左右旋圆极化波的转换。

Description

一种基于馈电网络的极化可重构天线阵列
技术领域
本发明属于电磁技术领域，特别涉及了一种基于馈电网络的极化可重构天线阵列。
背景技术
天线的主要功能可归纳为以下两点：一是能量转换功能；二是实现能量的定向辐射和定向接收。天线的工作特性直接影响无线通信系统的整体性能，因而它是整个系统中不可或缺的重要组成部分。传统天线是为了某个给定的应用而设计，它的结构和性能参数是固定不变的。然而，当天线应用的环境，所需的性能参数发生了变化，哪怕是一个微小的变化，工程师们都须要根据新的指标重新设计天线，因此可重构天线应运而生。
在当今无线通信快速发展的情况下，雷达、天线等通信设备也日益增多，来自外界的电磁波干扰对各种设备的威胁越来越大，电磁波的传播控制成为电磁领域研究的热点，电磁波的极化控制是电磁波空间传播控制的重要研究内容，无线电技术中，利用不同极化的电磁波具有不同的传播特性，结合收发天线的极化特性，可实现无线电信号的最佳发射和接收。电磁波极化在通信系统、抗干扰和目标识别等领域都有广泛的应用，因此对其进行研究具有很大意义。随着高频卫星通信系统、雷达、无线通信系统,尤其是全球3G和4G网络建设的飞速发展，对天线的要求也越来越高，一方面天线具有多种工作模式并具有良好的传输性能；另一方面，又要减轻天线的重量、减小天线体积并降低成本。如果现代通讯系统仍旧使用传统天线，那么为了满足系统动态改变工作参数的要求，天线的数量就会大幅增加。由此带来的弊端就是不仅提高了系统的成本，增大了系统的体积，天线之间的电磁耦合干扰也会变得非常严重，恶化了系统的电磁兼容特性。正是由于这样的需求，极化可重构天线的概念被提出并得到蓬勃发展。基于馈电网络的极化可重构天线阵列是把可重构天线组成阵列，在馈电网络上加入射频开关元件并控制其导通形式，实现天线阵列的多个极化方式，其具有更高的增益，性能更加卓越。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于馈电网络的极化可重构天线阵列，实现天线阵列发射线极化电磁波或左右旋圆极化波的转换。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种基于馈电网络的极化可重构天线阵列，由N×N个天线单元沿正交方向等间距排列形成N×N天线阵列，每个天线单元包括一块方形介质基板，该介质基板的正面设有一层金属地，该金属地上开有2个金属化通孔，每个金属化通孔被一个L形金属探针穿过，且L形金属探针的一端伸出至金属地上方，另一端到达介质基板的背面，两个L形金属探针沿介质基板所在平面相互垂直，在L形金属探针的上方悬空设有一个切角正方形金属板，介质基板背面设有一条馈电支路，该馈电支路包含两条馈电枝节，每条馈电枝节分别与天线单元上的一个L形金属探针对应连接，N×N条馈电支路构成同轴馈电网络，通过控制每条馈电支路中的两条馈电枝节的导通状态，使每个天线单元在同一时刻只有一个L形金属探针馈电，从而实现天线阵列的左、右旋圆极化，当相邻行或列的天线单元上进行馈电的为不同方向的L形金属探针时，等幅同向的左、右旋圆极化波合成线极化波。
基于上述技术方案的优选方案，同一条馈电支路上的两条馈电枝节均包含2个馈电端口，在2个馈电端口之间的夹缝处串联pin开关二极管，在pin开关二极管的两端设置直流电压源，从而控制馈电枝节的导通。
基于上述技术方案的优选方案，所述金属化通孔的直径大于穿过该孔的L形金属探针的直径，防止金属地与L形金属探针接触。
基于上述技术方案的优选方案，所述金属地、金属化通孔、L形金属探针和切角正方形金属板材质为金属铜。
基于上述技术方案的优选方案，所述介质基板材质为FR4，介电常数为4.4，损耗正切为0.025。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)现有技术仅设计出单个极化可重构天线，未有极化可重构天线阵列，本发明首次提出了极化可重构天线阵列；
(2)本发明中的极化可重构天线阵列可以同时实现线极化和左右旋圆极化和线极化的转换，功能多，性能高；
(3)本发明中只利用了一层介质板，结构简单，易加工，能够进行周期性扩展，使得结构灵活多变，易于实现量产。
附图说明
图1.1是实施例中4×4天线阵列和其中一个天线单元示意图；
图1.2、1.3和1.4分别是4×4天线阵列的金属地示意图、金属探针示意图以及背部馈电网络示意图；
图2.1、2.2、2.3、2.4和2.5分别是每个天线单元的正面示意图、金属地示意图、金属探针45度示意图、背部介质基板示意图以及右视图；
图3是局部馈电网络示意图；
图4.1、4.2和4.3分别是二极管导通时电磁波实现左旋或右旋圆极化的S11图、轴比图以及增益图；
图5.1、5.2和5.3分别为天线阵列行极化相同而列极化不同时合成线极化的两种不同形式的S11图、轴比图以及增益图。
标号说明：1、切角正方形金属板；2、金属地；3、介质基板；4、金属化通孔；5、L形金属探针。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本实施例是由16个天线单元等间距排列构成，图1.1是一个4×4的阵列和一个天线单元结构图，每个天线单元边长为90mm。图1.2、1.3和1.4分别是阵列的金属地图、馈电探针图以及背部馈电网络图。图2.1、2.2、2.3、2.4和2.5分别是每个单元的正面图、金属地图、探针45度图、背部介质基板图、右视图，图3是局部馈电网络图。如图2.1是单元结构的正面图，切角正方形金属板1的边长是49mm，切角边长为18mm，离金属地2的高度为16mm。金属地2将切角正方形金属板1与介质基板3隔离，防止电磁波透射过去，金属地2上面打两个金属化通孔4，孔的直径要比L形金属探针5的直径大，其孔直径为2mm，目的是防止金属地2与L形金属探针5接触。图2.2是金属地图，透过金属化通4可以看到介质基板3。图2.3是背部图片，可以看到介质基板3以及L形金属探针5，介质基板3的材料是FR4(介电常数为4.4，损耗正切为0.025)，厚度为1.6mm。图2.4是单个天线单元的右视图，L形金属探针垂直高度为10mm，水平长度为21mm，直径为1.2mm。如图3是一个局部馈电网络图，可以看到各段的阻抗变换，上面总共有4个夹缝，各焊接一个pin开关二极管，夹缝两端连接直流稳压电源的正负极，同行和隔行的可以使用并联形式，两个L形金属探针要分别馈电。当控制每个天线单元馈电网络的相同位置的二极管导通，其对应的相同位置的L形金属探针馈电，可实现天线阵列实现左旋或右旋圆极化，而当相邻行或列的馈电L形金属探针不同时，根据电磁场的理论，等幅同向的左右旋圆极化波可以合成线极化波，因此可以合为线极化电磁波。
本发明中的图4.1、4.2与4.3分别是二极管导通时电磁波实现左旋或右旋圆极化的S11(反射系数)、轴比、增益图，分别标记左旋和右旋；图5.1、5.2与5.3分别是天线阵列行极化相同而列极化不同时合成线极化的两种不同形式的S11、轴比、增益图，分别标记线1和线2。由于馈电网络的耦合等影响，左旋与右旋有一定差异。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于馈电网络的极化可重构天线阵列，其特征在于：由N×N个天线单元沿正交方向等间距排列形成N×N天线阵列，每个天线单元包括一块方形介质基板，该介质基板的正面设有一层金属地，该金属地上开有2个金属化通孔，每个金属化通孔被一个L形金属探针穿过，且L形金属探针的一端伸出至金属地上方，另一端到达介质基板的背面，两个L形金属探针沿介质基板所在平面相互垂直，在L形金属探针的上方悬空设有一个切角正方形金属板，介质基板背面设有一条馈电支路，该馈电支路包含两条馈电枝节，每条馈电枝节分别与天线单元上的一个L形金属探针对应连接，N×N条馈电支路构成同轴馈电网络，通过控制每条馈电支路中的两条馈电枝节的导通状态，使每个天线单元在同一时刻只有一个L形金属探针馈电，从而实现天线阵列的左、右旋圆极化，当相邻行或列的天线单元上进行馈电的为不同方向的L形金属探针时，等幅同向的左、右旋圆极化波合成线极化波。
2.根据权利要求1所述基于馈电网络的极化可重构天线阵列，其特征在于：同一条馈电支路上的两条馈电枝节均包含2个馈电端口，在2个馈电端口之间的夹缝处串联pin开关二极管，在pin开关二极管的两端设置直流电压源，从而控制馈电枝节的导通。
3.根据权利要求1所述基于馈电网络的极化可重构天线阵列，其特征在于：所述金属化通孔的直径大于穿过该孔的L形金属探针的直径，防止金属地与L形金属探针接触。
4.根据权利要求1所述基于馈电网络的极化可重构天线阵列，其特征在于：所述金属地、金属化通孔、L形金属探针和切角正方形金属板材质为金属铜。
5.根据权利要求1所述基于馈电网络的极化可重构天线阵列，其特征在于：所述介质基板材质为FR4，介电常数为4.4，损耗正切为0.025。
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