CN108539361A - 一种极化可重构的电小惠更斯源天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种极化可重构的电小惠更斯源天线，属于天线技术领域。该天线由第一至三介质基板、激励源、实心铜柱、电偶极子、磁偶极子、同轴电缆和3D打印尼龙支架组成；第二介质基板位于第一介质基板的下方，与第一介质基板平行且彼此隔开；第三介质基板位于第二介质基板的下方，与第二介质基板平行且彼此隔开；激励源贴设于第三介质基板的下表面；电偶极子贴设于第二介质基板的上表面；磁偶极子贴设于第一介质基板和第三介质基板的上表面并通过四个实心铜柱连接；同轴电缆放置在第三介质基板下表面的中心位置，其内、外芯与激励源相连接。本发明在低剖面、电小的前提下，实现了四种极化状态的可重构，具有良好的辐射性能。

Description

一种极化可重构的电小惠更斯源天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种极化可重构电小惠更斯源天线。
背景技术
极化可重构技术因其可以实现频率复用、提高通信系统容量和降低多径衰落产生的信号损耗而成为下一代无线通信系统的核心技术之一。目前，实现极化可重构的方法可分为以下三类：1.设计可重构辐射片；2.设计可重构馈电网络；3.加入寄生结构。以上三种方法可用于设计极化可重构的电大天线，但是不适合用于设计电小天线的极化可重构。此外，电小天线由于所占空间小，易于集成等优点而备受关注，但是电小天线由于电小尺寸的限制，导致方向性很差，可重构性小。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种极化可重构电小惠更斯源天线，在低剖面、电小的前提下，实现了四种极化状态(两个线极化和两个圆极化)的可重构，同时还具有良好的辐射性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种极化可重构的电小惠更斯源天线由第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、激励源4、电偶极子6、磁偶极子7、同轴电缆8和3D打印尼龙支架组成；
所述第二介质基板2位于第一介质基板1的下方，与第一介质基板1平行且彼此隔开；
所述第三介质基板3位于第二介质基板2的下方，与第二介质基板2平行且彼此隔开；
所述激励源4贴设于第三介质基板3的下表面；
所述电偶极子6贴设于第二介质基板2的上表面；
所述磁偶极子7贴设于第一介质基板1和第三介质基板3的上表面并通过四个实心铜柱5连接；
所述同轴电缆8放置在第三介质基板3下表面的中心位置，其内、外芯与激励源(4)相连接；
所述3D打印尼龙支架，用于固定所述三个介质基板的相对高度。
进一步，所述激励源(4)由两个弧形结构(36、41)、六个PIN开关二极管、八个金属贴片(39)和电感组成；
所述两个弧形结构贴设于第三介质基板3的下表面，以第三介质基板3的中心为圆心；所述两个弧形结构的两端分别沿着X、Y轴伸出金属枝节，四个不同长度的金属条带Ⅰ(33、34、37、40)放置在金属枝节的末端且离金属枝节的末端有固定的间距(35)；两个尺寸相同的矩形条带(38)放置在四个不同长度的金属条带Ⅰ其中位于+X和-Y轴的金属条带Ⅰ(37、40)末端，且离金属条带Ⅰ的末端有固定的间距(35)；所述六个PIN开关二极管放置在金属条带Ⅰ间的固定间距(35)里；所述八个金属贴片39贴设于第三介质基板3的下表面；所述电感被安装在金属贴片39和金属条带之间，以阻止射频信号进入直流偏执网络。
进一步，所述电偶极子6由两个大小相等且垂直放置的埃及战斧型偶极子(21、22)和一个金属圆环Ⅱ垂直放置组成，均贴设于第二介质基板2的上表面；所述埃及战斧型偶极子由两个埃及战斧型条带、一条矩形金属条带Ⅱ和两个铜环组成；所述埃及战斧型条带位于矩形金属条带Ⅱ的两端；所述铜环设置在矩形金属条带Ⅱ上，为了避免磁偶极子7上的实心铜柱5与电偶极子6接触。
进一步，所述磁偶极子(7)由两个垂直放置的长金属条带(11、12)、一个金属圆环Ⅰ、四个实心铜柱(5)和两组尺寸相等的短金属条带(31、32)组成；所述两个垂直放置的长金属条带(11、12)和一个金属圆环Ⅰ贴设于第一介质基板的上表面；所述两组尺寸相等的短金属条带(31、32)贴设于第三介质基板3的上表面；位于同一坐标轴上的两个短金属条带之间的间距相等，并通过四个实心铜柱5连接位于第一和第三介质基板上的长、短金属条带，从而激励起两个相互垂直的环形电流。
进一步，所述第一到第三介质基板均为半径29mm～31mm的圆形结构；所述第一介质基板和第二介质基板的厚度为0.254mm，所述第三介质基板的厚度为1.575mm。
进一步，所述第一介质基板与第三介质基板的垂直高度为7.3mm～7.5mm，第二介质基板与第三介质基板的垂直高度为5.2mm～5.4mm。
进一步，所述弧形结构(36、41)的半径R11为3mm～4mm，宽度为0.8mm～1.2mm；所述沿X轴伸出的金属枝节的长度L6为1.8mm，宽度为1mm；所述沿Y轴伸出的金属枝节的长度L8为2mm，宽度为1mm；所述四个不同长度的金属条带Ⅰ(33、34、37、40)的长度L5、L9、L7为2mm～3mm，宽度W3均为0.8mm～1.2mm；所述两个尺寸相同的矩形条带38的长度L4为0.5mm～1mm，宽度为0.8mm～1.2mm；所述金属贴片39的长度为1mm～1.1mm，宽度为0.5mm～0.7mm。
进一步,所述矩形金属条带Ⅱ的长度为51mm～53mm，宽度W2为1mm～2mm；所述金属圆环Ⅱ的内半径R5为6.5mm～7mm，外半径R6为7.9mm～8.2mm；所述埃及战斧型条带的弧度为59°～61°，外半径R8为25.9mm～26.3mm，内半径R7为23.8mm～24.3mm；所述铜环内半径R10为1.8mm，外半径为R9为2.8mm。
进一步，所述第一介质基板上的长金属条带(11、12)的长度L1为44mm～46mm，宽度W1为3mm～3.4mm；所述金属圆环Ⅰ的内半径R4为5.5mm～6mm，外半径R3为8.2mm～8.6mm；所述第三介质基板上的短金属条带(31、32)的长度L3为18mm～19.5mm，宽度为3mm～3.2mm；所述位于同一坐标轴上的两个短金属条带(31、32)之间的间距g2为7mm～8mm；所述实心铜柱(5)的高度为7mm～8mm，半径为1mm～1.5mm。
进一步，所述的磁偶极子(7)、电偶极子(6)和激励源(4)均为厚度相同的覆铜薄膜。
本发明的有益效果在于：1)本发明利用近场寄生谐振技术使该天线结构紧凑，尺寸小，易于集成到无线通讯系统中；2)本发明通过简单的在激励源上加载六个PIN开关二极管实现了该天线四种极化状态的可重构同时还具有良好的辐射性能和增益。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述天线结构俯视图；
图2为本发明所述天线结构侧视图；
图3为第一介质基板上表面磁偶极子俯视图；
图4为第二介质基板上表面电偶极子俯视图；
图5为第三介质基板上表面磁偶极子俯视图和下表面激励源上金属条带的仰视图；
图6为本发明所述天线水平和垂直线极化反射系数|S11|和频率的关系曲线图；
图7为本发明所述天线左旋和右旋圆极化反射系数|S11|和频率的关系曲线图；
图8为本发明所述天线水平线极化时天线E平面、H平面辐射场方向图；
图9为本发明所述天线垂直线极化时天线E平面、H平面辐射场方向图；
图10为本发明所述天线左旋圆极化时天线ZOX平面、ZOY平面辐射场方向图；
图11为本发明所述天线右旋圆极化时天线ZOX平面、ZOY平面辐射场方向图；
附图中的各附图标记分别为：1-第一介质基板，2-第二介质基板，3-第三介质基板，4-激励源，5-实心铜柱，6-电偶极子，7-磁偶极子，8-同轴电缆，11、12-长金属条带，21、22-埃及战斧型偶极子，31、32-短金属条带，33、34、37、40-金属条带Ⅰ，36、41-弧形结构，，38-矩形条带，39-金属贴片。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1和图2所示，本发明提供一种极化可重构的电小惠更斯源天线，包括第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、激励源4、电偶极子6、磁偶极子7、同轴电缆8和3D打印尼龙支架；所述第二介质基板2位于第一介质基板1的下方，与第一介质基板1平行且彼此隔开；所述第三介质基板3位于第二介质基板2的下方，与第二介质基板2平行且彼此隔开；所述激励源4贴设于第三介质基板3的下表面；所述电偶极子6贴设于第二介质基板2的上表面；所述磁偶极子7贴设于第一介质基板1和第三介质基板3的上表面并通过四个实心铜柱5连接；所述同轴电缆8放置在第三介质基板3下表面的中心位置，其内、外芯与激励源(4)相连接；所述3D打印尼龙支架，用于固定所述三个介质基板的相对高度。
上述天线，利用近场耦合谐振技术使该天线结构紧凑，尺寸小，易于集成到无线通讯系统中；另一方面，通过简单的在激励源上加载六个PIN开关二极管实现了该天线四种极化状态的可重构同时还具有良好的辐射性能和增益。
如图3和图5所示，磁偶极子7由两个垂直放置的长金属条带(11、12)、一个金属圆环Ⅰ、四个实心铜柱(5)和两组尺寸相等的短金属条带(31、32)组成；所述两个垂直放置的长金属条带(11、12)和一个金属圆环Ⅰ贴设于第一介质基板的上表面；所述两组尺寸相等的短金属条带(31、32)贴设于第三介质基板3的上表面；位于同一坐标轴上的两个短金属条带之间的间距相等，并通过四个实心铜柱5连接位于第一和第三介质基板上的长、短金属条带，从而激励起两个相互垂直的环形电流。
如图4所示，电偶极子6由两个大小相等且垂直放置的埃及战斧型偶极子(21、22)和一个金属圆环Ⅱ垂直放置组成，均贴设于第二介质基板2的上表面；所述埃及战斧型偶极子由两个埃及战斧型条带、一条矩形金属条带Ⅱ和两个铜环组成；所述埃及战斧型条带位于矩形金属条带Ⅱ的两端；所述铜环设置在矩形金属条带Ⅱ上，为了避免磁偶极子7上的实心铜柱5与电偶极子6接触。
如图5所示，激励源(4)由两个弧形结构(36、41)、六个PIN开关二极管、八个金属贴片(39)和电感组成；所述两个弧形结构贴设于第三介质基板3的下表面，以第三介质基板3的中心为圆心；所述两个弧形结构的两端分别沿着X、Y轴伸出金属枝节，四个不同长度的金属条带Ⅰ(33、34、37、40)放置在金属枝节的末端且离金属枝节的末端有固定的间距(35)；两个尺寸相同的矩形条带(38)放置在四个不同长度的金属条带Ⅰ其中位于+X和-Y轴的金属条带Ⅰ(37、40)末端，且离金属条带Ⅰ的末端有固定的间距(35)；所述六个PIN开关二极管放置在金属条带Ⅰ间的固定间距(35)里；所述八个金属贴片39贴设于第三介质基板3的下表面；所述电感被安装在金属贴片39和金属条带之间，以阻止射频信号进入直流偏执网络。
另外，磁偶极子7、电偶极子6和激励源4均为厚度相同的覆铜薄膜。
为了更为方便地通过近场耦合技术来保证电小天线的辐射特性，本发明中，三层介质基板均为圆形结构，半径均为29mm-31mm，厚度为0.2mm-1.6mm。第一介质基板1与第三介质基板3的垂直高度为7.3mm-7.5mm，第二介质基板2与第三介质基板3的垂直高度为5.2mm-5.4mm。长金属条带11的长度L1为44mm-46mm，宽度为3mm-3.4mm，金属圆环Ⅰ的内、外半径为5mm-9mm。金属条带31的长度L3为18mm-19.5mm，宽度W1为3mm-3.4mm，金属条带31之间的间距g2为7mm-8mm。实心铜柱5的高度为7mm-8mm，半径为1mm-1.5mm。矩形金属条带Ⅱ21的长度为51-53mm，宽度W2为1mm-2mm，金属圆环Ⅱ的内、外半径为5mm-9mm，矩形金属条带Ⅱ21的弧形结构弧度为59°-61°。弧形结构36、41的半径R11为3mm-4mm，宽度为0.8mm-1.2mm；四个不同长度的金属条带33、34、37、40的长度为1mm-2.5mm，宽度为0.8mm-1.2mm；两个尺寸相同的矩形条带38的长度L4为0.5mm-1mm，宽度为0.8mm-1.2mm。金属贴片39的长度为1mm-1.1mm，宽度为0.5mm-0.7mm。
本发明提供一个具体实施案例，三层介质基板的半径均为30mm，其中第一介质基板1、第二介质基板2的厚度均为0.25mm，第三介质基板的厚度为1.58mm。基板材料均选用了Taconic TLY-5，相对介电常数为2.2，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.0009。第一介质基板1与第三介质基板3的垂直高度为7.4mm，第二介质基板2与第三介质基板3的垂直高度为5.3mm。长金属条带11的长度为45.2mm，宽度为3.2mm，金属圆环Ⅰ的内半径为5.7mm，外半径为8.5mm。金属条带31中的一条长度为18.9mm，宽度为3.2mm，金属条带31之间的间距为7.35mm。实心铜柱5的高度为7.4mm，半径为1.25mm。矩形金属条带Ⅱ21的长度为52.2mm，宽度为1.07mm，金属圆环Ⅱ的内半径为6.93mm，外半径为8mm，金属条带21的弧形结构弧度为60°。弧形结构36、41的半径3.3mm，宽度为1mm，四个不同长度的金属条带33、34、37、40的长度分别为1.6mm、2mm、1.6mm、2.16mm，宽度均为1mm，两个尺寸相同的矩形条带38的长度为0.8mm，宽度为1mm。金属贴片39的长度为1.08mm，宽度为0.6mm。
完成上述的初始设计后，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后各参数最佳尺寸如表1所示，其中：R1代表三层介质基板的半径，R2代表实心铜柱5的半径，L1代表长金属条带11的长度，W1代表长金属条带11的宽度，g1代表实心铜柱5距离长金属条带12边缘的距离。R3代表长金属条带11上的铜环的弧形结构的外半径，R4代表长金属条带11上的铜环的弧形结构的内半径，R5代表矩形金属条带Ⅱ21上的铜环的内半径，R6代表矩形金属条带Ⅱ21上的铜环的外半径，L2代表矩形金属条带Ⅱ21的中心距离铜环的长度，W2代表金属条带22的宽度。
R8代表矩形金属条带Ⅱ21的弧形结构的外半径，R7代表矩形金属条带Ⅱ21的弧形结构的内半径，R10代表矩形金属条带Ⅱ21上的铜环的内半径，R9代表矩形金属条带Ⅱ21上的铜环的外半径。L3代表金属条带31、32的长度，g2代表短金属条带31与32之间的距离。L4代表两个尺寸相同的矩形条带38的长度，L5代表金属条带33、37的长度，L6代表弧形结构36、41的一端沿着X轴伸出的金属枝节的长度，L7代表金属条带40的长度，L8代表弧形结构36、41的一端沿着Y轴伸出的金属枝节的长度，L9代表金属条带34的长度，W3代表激励源4上的金属条带的宽度，R11代表弧形结构36、41的半径。
表1本发明各参数最佳尺寸表
如图6～11所示，仿真结果验证了该天线设计的合理性，通过控制PIN开关二极管通断以改变激励源上电流的走向，从而改变磁偶极子和电偶极子的耦合关系，实现了该天线四种极化状态的切换(水平线极化、垂直线极化、左旋圆极化和右旋圆极化)，同时还具有较好的端射特性、较高的增益和辐射效率。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种极化可重构的电小惠更斯源天线，其特征在于，该天线由第一介质基板(1)、第二介质基板(2)、第三介质基板(3)、激励源(4)、电偶极子(6)、磁偶极子(7)、同轴电缆(8)和3D打印尼龙支架组成；
所述第二介质基板(2)位于第一介质基板(1)的下方，与第一介质基板(1)平行且彼此隔开；
所述第三介质基板(3)位于第二介质基板(2)的下方，与第二介质基板(2)平行且彼此隔开；
所述激励源(4)贴设于第三介质基板(3)的下表面；
所述电偶极子(6)贴设于第二介质基板(2)的上表面；
所述磁偶极子(7)贴设于第一介质基板(1)和第三介质基板(3)的上表面并通过四个实心铜柱(5)连接；
所述同轴电缆(8)放置在第三介质基板(3)下表面的中心位置，其内、外芯与激励源(4)相连接；
所述3D打印尼龙支架，用于固定所述三个介质基板的相对高度。
2.根据权利要求1所述的一种极化可重构的电小惠更斯源天线，其特征在于，所述激励源(4)由两个弧形结构(36、41)、六个PIN开关二极管、八个金属贴片(39)和电感组成；
所述两个弧形结构贴设于第三介质基板(3)的下表面，以第三介质基板(3)的中心为圆心；所述两个弧形结构的两端分别沿着X、Y轴伸出金属枝节，四个不同长度的金属条带Ⅰ(33、34、37、40)放置在金属枝节的末端且离金属枝节的末端有固定的间距(35)；两个尺寸相同的矩形条带(38)放置在四个不同长度的金属条带Ⅰ其中位于+X和-Y轴的金属条带Ⅰ(37、40)末端，且离金属条带Ⅰ的末端有固定的间距(35)；所述六个PIN开关二极管放置在金属条带Ⅰ间的固定间距(35)里；所述八个金属贴片(39)贴设于第三介质基板(3)的下表面；所述电感被安装在金属贴片(39)和金属条带之间，以阻止射频信号进入直流偏执网络。
3.根据权利要求1所述的一种极化可重构的电小惠更斯源天线，其特征在于，所述电偶极子(6)由两个大小相等且垂直放置的埃及战斧型偶极子(21、22)和一个金属圆环Ⅱ垂直放置组成，均贴设于第二介质基板(2)的上表面；所述埃及战斧型偶极子由两个埃及战斧型条带、一条矩形金属条带Ⅱ和两个铜环组成；所述埃及战斧型条带位于矩形金属条带Ⅱ的两端；所述铜环设置在矩形金属条带Ⅱ上，为了避免磁偶极子(7)上的实心铜柱(5)与电偶极子(6)接触。
4.根据权利要求1所述的一种极化可重构的电小惠更斯源天线，其特征在于，所述磁偶极子(7)由两个垂直放置的长金属条带(11、12)、一个金属圆环Ⅰ、四个实心铜柱(5)和两组尺寸相等的短金属条带(31、32)组成；所述两个垂直放置的长金属条带(11、12)和一个金属圆环Ⅰ贴设于第一介质基板的上表面；所述两组尺寸相等的短金属条带(31、32)贴设于第三介质基板(3)的上表面；位于同一坐标轴上的两个短金属条带之间的间距相等，并通过四个实心铜柱(5)连接位于第一和第三介质基板上的长、短金属条带，从而激励起两个相互垂直的环形电流。
5.根据权利要求1所述的一种极化可重构的电小惠更斯源天线，其特征在于，所述第一到第三介质基板均为半径29mm～31mm的圆形结构；所述第一介质基板和第二介质基板的厚度为0.254mm，所述第三介质基板的厚度为1.575mm。
6.根据权利要求1所述的一种极化可重构的电小惠更斯源天线，其特征在于，所述第一介质基板与第三介质基板的垂直高度为7.3mm～7.5mm，第二介质基板与第三介质基板的垂直高度为5.2mm～5.4mm。
7.根据权利要求2所述的一种极化可重构的电小惠更斯源天线，其特征在于，所述弧形结构(36、41)的半径R11为3mm～4mm，宽度为0.8mm～1.2mm；所述沿X轴伸出的金属枝节的长度L6为1.8mm，宽度为1mm；所述沿Y轴伸出的金属枝节的长度L8为2mm，宽度为1mm；所述四个不同长度的金属条带Ⅰ(33、34、37、40)的长度L5、L9、L7为2mm～3mm，宽度W3均为0.8mm～1.2mm；所述两个尺寸相同的矩形条带(38)的长度L4为0.5mm～1mm，宽度为0.8mm～1.2mm；所述金属贴片(39)的长度为1mm～1.1mm，宽度为0.5mm～0.7mm。
8.根据权利要求3所述的一种极化可重构的电小惠更斯源天线，其特征在于，所述矩形金属条带Ⅱ的长度为51mm～53mm，宽度W2为1mm～2mm；所述金属圆环Ⅱ的内半径R5为6.5mm～7mm，外半径R6为7.9mm～8.2mm；所述埃及战斧型条带的弧度为59°～61°，外半径R8为25.9mm～26.3mm，内半径R7为23.8mm～24.3mm；所述铜环内半径R10为1.8mm，外半径为R9为2.8mm。
9.根据权利要求4所述的一种极化可重构的电小惠更斯源天线，其特征在于，所述第一介质基板上的长金属条带(11、12)的长度L1为44mm～46mm，宽度W1为3mm～3.4mm；所述金属圆环Ⅰ的内半径R4为5.5mm～6mm，外半径R3为8.2mm～8.6mm；所述第三介质基板上的短金属条带(31、32)的长度L3为18mm～19.5mm，宽度为3mm～3.2mm；所述位于同一坐标轴上的两个短金属条带(31、32)之间的间距g2为7mm～8mm；所述实心铜柱(5)的高度为7mm～8mm，半径为1mm～1.5mm。
10.根据权利要求1所述的一种极化可重构的电小惠更斯源天线，其特征在于，所述的磁偶极子(7)、电偶极子(6)和激励源(4)均为厚度相同的覆铜薄膜。
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