CN108963449B - 一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线及其设计方法 - Google Patents

一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线及其设计方法，包括上层和下层介质基板、上层和下层馈电圆片、上层和下层振子辐射贴片、上层和下层方形焊盘、人工磁导体结构上层和下层贴片、同轴馈线、直流铜柱，上层馈电圆片位于上层介质基板上方、下层馈电圆片位于上层介质基板下方，下层振子辐射贴片为七组且圆周等角度分布于下层馈电圆片周边，上层振子辐射贴片与上层馈电圆片之间、下层振子辐射贴片与下层馈电圆片之间均设置有PIN二极管，上层介质基板、下层介质基板贯穿同轴馈线将下层馈电圆片与下层馈电圆片相连接。该天线集成具有人工磁导体结构的反射器和蝴蝶结型宽带对称振子，具有低剖面、高增益、较宽带宽的特点。

Description

一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线及其设计方法
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线及其设计方法。
背景技术
随着电磁场与微波技术的高速发展与广泛应用，无线通信逐渐成为现代社会的主要通信手段之一。而天线作为无线通信中收发端的关键组成部分，其性能直接影响着无线通信系统的整个性能。如今，大容量、高速度、广范围的无线通信系统已经成为人们生活中不可或缺的设备，比如室内的Wi-Fi，室外的通信基站等。这也造成电磁环境越来越复杂，系统间的干扰也越来越强。于是，在1998年，可重构天线的概念首次被提出，它使得一般的天线可以改变它们的结构以实现功能的扩展。其中，极化可重构天线是可重构天线十分重要的一类。利用极化可重构天线，人们可以在有限的体积中，有效实现极化分集、频率复用、极化调制等，从而提高系统的容量，降低极化失配损耗等。
多线极化可重构天线是一类可在多个不同方向线极化之间切换的天线。由于线极化和圆极化之间总是存在50％的极化失配损耗，而多线极化可重构天线可以很好地解决单一极化天线之间的信号极化失配问题，并且，多线极化可重构天线往往能够实现更多的极化方向，拥有更多的极化选择，在极化调制、频率复用等方面具备巨大的优势。因此，近年来，多线极化可重构天线受到了广泛的关注。
另外，人工磁导体结构是一种超材料，在特定的频率范围内对平面波呈现同相反射的特性。当其应用于天线反射器设计时，利用其同相反射特性，可以避免传统理想导体(PEC)反射器与天线辐射体之间所需的1/4波长间隔。因此，利用人工磁导体结构设计天线反射器可以实现低剖面、高增益的天线。并且，人工磁导体结构还具有随频率连续可变的反射相位特性，能够有效改善微带天线的阻抗特性，扩展带宽。因此，人工磁导体结构在高性能天线设计、雷达目标隐身等方面有着重要的应用。
从目前已发表的文献和已公开的专利来看，极化可重构天线的研究多集中在左右旋圆极化可切和线极化与圆极化可切换的天线，多线极化可重构天线在近些年才刚起步，但发展势头迅猛。
中国发明专利(CN107978861A)提出了一款低剖面全向左右旋圆极化可重构天线，其虽然具备低剖面的特性，但由于其全向性，该天线的增益较低，且它不具备多线极化的特性。
中国发明专利(CN106356620A)提出一款宽带的极化可重构天线其具有两个线极化和两个圆极化。为了实现极化可重构的功能，加载了功分器和移相器，使得该天线整体较为复杂、体积较大。且其拥有的线极化数目也不能满足通常多线极化的应用场合。
杨琬琛博士等人在文献“A Polarization Reconfigurable Dipole AntennaUsing Polarization Rotation AMC Structure，IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.63,no.12,pp.5305-5315,Dec.2015.”中利用人工磁导体结构反射器的极化扭转特性设计了一款线极化和圆极化切换的极化可重构天线，其具有低剖面的特性，且具有一定带宽，但它只有两个线极化方向，尚不能满足多线极化可重构天线的需求。
葛磊博士等人在文献“A New Quadri-Polarization Reconfigurable CircularPatch Antenna，IEEE Access,vol.4,pp.4646-4651,2016.doi:10.1109/ACCESS.2016.2600250”中基于可重构馈电网络设计了一款有四个不同极化方向的多线极化可重构天线，其具有低剖面的特性，但是带宽较窄，仅有2.5％的带宽。且由于其结构并非完全旋转对称，不利于扩展极化数目。
黄衡教授等人在文献“Multi-Polarization Reconfigurable Antenna forWireless Biomedical System，IEEE Transactions on Biomedical Circuits andSystems,vol.11,no.3,pp.652-660,June 2017”中基于可重构辐射体的方法设计了一款宽带的多线极化可重构天线，其同样具有四个不同方向的线极化，但其反射器与辐射体之间具有1/4波长的间隔，剖面较高。另外，由于其结构不具旋转对称性，不利于扩展极化数目。
综上所述，设计具有高性能的多线极化可重构天线具有重要的研究和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线及其设计方法，以解决上述背景技术中提出的现有技术中存在的线极化数目受限、天线剖面较高等问题，本发明提供一种集成人工磁导体的低剖面、高增益、宽带多线极化可重构天线，采用旋转对称的多线极化可重构天线单元，并结合具有人工磁导体结构的反射器来解决问题，具有便于平面集成，低剖面，宽带，高增益的特点，且能够在一副天线上通过电控实现7个不同方向的线极化的可重构。采用的技术方案如下：
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线，包括，上层介质基板、下层介质基板、上层馈电圆片、下层馈电圆片、上层振子辐射贴片、下层振子辐射贴片、上层方形焊盘、下层方形焊盘、人工磁导体结构上层贴片、人工磁导体结构下层贴片、同轴馈线、直流铜柱，上层介质基板位于下层介质基板的上方，且上层介质基板和下层介质基板两者之间有很小的空气间隙；上层馈电圆片位于上层介质基板上方、下层馈电圆片位于上层介质基板下方，上层振子辐射贴片为七组且圆周等角度分布于上层馈电圆片的周边，下层振子辐射贴片为七组且圆周等角度分布于下层馈电圆片的周边，上层振子辐射贴片与上层馈电圆片之间、下层振子辐射贴片与下层馈电圆片之间均设置有PIN二极管，上层和下层振子辐射贴片的头部焊接连接有方形焊盘，直流铜柱垂直分布于方形焊盘下端并固定连接，上层振子辐射贴片、下层振子辐射贴片与方形焊盘之间的缝隙排布贴片电感，上层介质基板、下层介质基板贯穿同轴馈线将下层馈电圆片与下层馈电圆片相连接。
优选的，所述上层介质基板和下层介质基板均为方形。上层介质板介电常数为2.2，厚度为0.5mm,下层介质基板介电常数为4.4，厚度为2.4mm，上层介质基板和下层介质基板之间存在一定空气间隙，为0.5mm。
优选的，所述PIN二极管为开关二极管。型号为BAR50-2L，长度为1mm，宽度为0.6mm。
优选的，所述人工磁导体结构上层贴片为六边形贴片分布于下层介质基板上面，所述人工磁导体结构上层贴片是以正六边形贴片为单元的周期分布的人工磁导体结构的反射器。所述人工磁导体结构上层贴片由正六边形贴片单元周期分布排列组成，相邻六边形之间存在间隙且间隙大小相等。
优选的，所述贴片电感型号为MLG1608B22NJT,长度为1.6mm,宽度0.8mm。所述贴片电感在天线工作频段为自谐振状态，对于射频信号相当于一个阻抗很大的电阻，起到隔离直流偏置网络和射频信号的作用。
优选的，所述直流铜柱穿过上层介质基板、下层介质基板与直流电源相连，所述直流电源位于下层介质基板后面。
优选的，七组上层振子辐射贴片和七组下层振子辐射贴片为宽带对称振子，作为天线的辐射结构，形成偶极子天线向外辐射电磁波。
优选的，所述同轴馈线内导体与外导体分别与一个下层馈电圆片、下层馈电圆片相连，实现差分馈电。
优选的，所述上层介质基板、下层介质基板、人工磁导体结构上层贴片、人工磁导体结构下层贴片均具有供所述同轴馈线和直流铜柱穿过的通孔。直流铜柱和同轴馈线与人工磁导体结构反射器的金属部分均是不接触的。
一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线的设计方法，包括如下步骤：
步骤1：通过直流线路选择导通一对PIN二极管，使得工作时仅一对对称振子被激励，通过选择导通不同的PIN二极管对，电控实现线极化可重构的功能；
步骤2：所述贴片电感在天线工作频段为自谐振状态，起到隔离直流偏置网络和射频信号的作用；
步骤3：具有人工磁导体结构的反射器能够同相反射天线背向辐射的电磁波，使得集成人工磁导体人工磁导体重构天线具有低剖面、高增益的特性。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.通过电控PIN二极管的通断选择激励不同的对称振子达到极化可重构的目的，便于与FPGA或单片机等集成进行自动化控制，实现电控极化捷变的效果；
2.该天线辐射体部分为旋转对称结构，实现了7个不同方向的线极化，且利于进一步扩展极化数目；
3.该天线集成了具有人工磁导体结构的反射器和蝴蝶结型宽带对称振子，具有低剖面、高增益、较宽带宽的特点。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2、图3、图4均为本发明实施例部分结构的俯视图；
图5为本发明实施例的回波损耗曲线；
图6为本发明实施例在2.5GHz、2.75GHz、3.00GHz、3.25GHz时的E面辐射方向图；
图7为本发明实施例在2.5GHz、2.75GHz、3.00GHz、3.25GHz时的H面辐射方向图；
图8为本发明实施例的增益曲线图。
图中：上层介质基板1、下层介质基板2、上层馈电圆片301、下层馈电圆片302、上层振子辐射贴片401、下层振子辐射贴片402、上层方形焊盘501、下层方形焊盘502、人工磁导体结构上层贴片601、人工磁导体结构下层贴片602、同轴馈线7、直流铜柱8。
具体实施方式
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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。
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线，包括，上层介质基板1、下层介质基板2、上层馈电圆片301、下层馈电圆片302、上层振子辐射贴片401、下层振子辐射贴片402、方形焊盘5、人工磁导体结构上层贴片601、人工磁导体结构下层贴片602、同轴馈线7、直流铜柱8，上层介质基板1位于下层介质基板2的上方，且上层介质基板1和下层介质基板2两者之间有很小的空气间隙；上层馈电圆片301位于上层介质基板1上方、下层馈电圆片302位于上层介质基板1下方，上层振子辐射贴片401为七组且圆周等角度分布于上层馈电圆片301的周边，下层振子辐射贴片402为七组且圆周等角度分布于下层馈电圆片302的周边，上层振子辐射贴片401与上层馈电圆片301之间、下层振子辐射贴片402与下层馈电圆片302之间均设置有PIN二极管，上层振子辐射贴片401的头部焊接连接有上层方形焊盘501，下层振子辐射贴片402的头部焊接连接有下层方形焊盘502，直流铜柱8垂直分布于方形焊盘5下端并固定连接，上层振子辐射贴片401、下层振子辐射贴片402与方形焊盘5之间的缝隙排布贴片电感，上层介质基板1、下层介质基板2贯穿同轴馈线7将下层馈电圆片302与下层馈电圆片302相连接。所述上层介质基板1和下层介质基板2均为方形。所述PIN二极管为开关二极管，型号为BAR50-2L，长度为1mm,宽度为0.6mm。所述人工磁导体结构上层贴片601为六边形贴片分布于下层介质基板2上面，所述人工磁导体结构上层贴片601是以正六边形贴片为单元的周期分布的人工磁导体结构的反射器。所述贴片电感型号为MLG1608B22NJT,长度为1.6mm,宽度为0.8mm。所述直流铜柱8穿过上层介质基板1、下层介质基板2与直流电源相连，所述直流电源位于下层介质基板2后面。七组上层振子辐射贴片401和七组下层振子辐射贴片402为宽带对称振子，作为天线的辐射结构。所述同轴馈线7内导体与外导体分别与一个下层馈电圆片302、下层馈电圆片302相连，实现差分馈电。所述上层介质基板1、下层介质基板2、人工磁导体结构上层贴片601、人工磁导体结构下层贴片602均具有供所述同轴馈线和直流铜柱8穿过的通孔。
一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线的设计方法，包括如下步骤：
步骤1：通过直流线路选择导通一对PIN二极管，使得工作时仅一对对称振子被激励，通过选择导通不同的PIN二极管对，电控实现线极化可重构的功能；
步骤2：所述贴片电感在天线工作频段为自谐振状态，起到隔离直流偏置网络和射频信号的作用；
步骤3：具有人工磁导体结构的反射器同相反射天线背向辐射的电磁波的作用，使得集成人工磁导体的多线极化可重构天线具有低剖面、高增益的特性。
进一步地，由图2、图3，上层介质基板1上下两面俯视图，可以看出上层振子辐射贴片401、下层振子辐射贴片402的交叠排布状态。上层振子辐射贴片401、下层振子辐射贴片402的尺寸参数为：s1＝0.6mm,s2＝6mm,d＝12mm；方形焊盘5边长为1.5mm。在图2中标注了共7个极化方向，按“#0-7”的方式进行编号。
进一步地，由图4，下层介质基板2上表面俯视图，可知正六边形贴片的周期排布是以六个边的法向进行周期排布的。其尺寸参数为：x0＝10mm,s＝0.4mm。
进一步地，在本例中采用的同轴馈线7外径为1.2mm，内径为0.36mm，同轴介质为Teflon，介电常数为2.2。采用的直流铜柱8直径为0.5mm。在图示中未给出直流电源，应理解在这里不做说明，直流电源布置在下层介质基板2之后，在本例中采用1.5V电池即可。
在本实施例工作时，首先通过直流电源和Bias T选择导通一组PIN二极管，从而能够激励一对上层振子辐射贴片401、下层振子辐射贴片402工作。若要改变极化方向，只需要接通不同的PIN二极管即可。由此实现电控多线极化可重构的功能。
基于上述，在HFSS中建模仿真，得到结果如图5，图6，图7所示。由于本例结构具有轴对称性，如图2、图3所示，因此，#3与#4，#2与#5，#1与#6方向的结果是一致的，因此只需给出#0-#3四个极化方向的仿真结果即可。由图5可以得出结论，本实施例提供的一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线阻抗带宽为20％，覆盖了2.75GHz-3.45GHz频带。由图6和图7可以看出，在频带内2.5GHz,2.75GHz,3GHz,3.25GHz处，天线的方向图基本保持不变，具有单向辐射的特性，交叉极化远远低于主极化，具有良好的线极化特性。由图8可知，在天线频带内，增益基本高于6.5dB，最高达9dB。同时，由于本实施例的工作频带为2.75GHz-3.45GHz，且总体剖面厚度为3.4mm，对工作带宽内最高频点仅0.04λ，具有低剖面的特性。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线，其特征在于，包括，上层介质基板（1）、下层介质基板（2）、上层馈电圆片(301)、下层馈电圆片(302)、上层振子辐射贴片（401）、下层振子辐射贴片（402）、上层方形焊盘（501）、下层方形焊盘（502）、人工磁导体结构上层贴片（601）、人工磁导体结构下层贴片（602）、同轴馈线（7）、直流铜柱（8），上层介质基板（1）位于下层介质基板（2）的上方，且上层介质基板（1）和下层介质基板（2）两者之间有很小的空气间隙；上层馈电圆片(301)位于上层介质基板（1）上方、下层馈电圆片(302)位于上层介质基板（1）下方，上层振子辐射贴片（401）为七组且圆周等角度分布于上层馈电圆片(301)的周边，下层振子辐射贴片（402）为七组且圆周等角度分布于下层馈电圆片(302)的周边，上层振子辐射贴片（401）与上层馈电圆片(301)之间、下层振子辐射贴片（402）与下层馈电圆片(302)之间均设置有PIN二极管，上层振子辐射贴片（401）的头部焊接连接有上层方形焊盘（501），下层振子辐射贴片（402）的头部焊接连接有下层方形焊盘（502），直流铜柱（8）垂直分布于方形焊盘（5）下端并固定连接，上层振子辐射贴片（401）、下层振子辐射贴片（402）与方形焊盘（5）之间的缝隙排布贴片电感，上层介质基板（1）、下层介质基板（2）贯穿同轴馈线（7）将下层馈电圆片(302)与下层馈电圆片(302)相连接；所述人工磁导体结构上层贴片（601）为六边形贴片分布于下层介质基板（2）上面，所述人工磁导体结构上层贴片（601）是以正六边形贴片为单元的周期分布的人工磁导体结构的反射器；七组上层振子辐射贴片（401）和七组下层振子辐射贴片（402）为宽带对称振子，作为天线的辐射结构；所述同轴馈线（7）内导体与外导体分别与一个下层馈电圆片(302)、下层馈电圆片(302)相连，实现差分馈电；所述贴片电感型号为MLG1608B22NJT,长度为1.6mm,宽度0.8mm。
2.根据权利要求1所述的一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线，其特征在于：所述上层介质基板（1）和下层介质基板（2）均为方形。
3.根据权利要求1所述的一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线，其特征在于：所述PIN二极管为开关二极管，其型号为BAR50-2L，长度为1mm，宽度为0.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线，其特征在于：所述贴片电感型号为MLG1608B22NJT，长度为1.6mm,宽度为0.8mm。
5.根据权利要求1所述的一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线，其特征在于：所述直流铜柱（8）穿过上层介质基板（1）、下层介质基板（2）与直流电源相连，所述直流电源位于下层介质基板（2）后面。
6.根据权利要求1所述的一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线，其特征在于：所述上层介质基板（1）、下层介质基板（2）、人工磁导体结构上层贴片（601）、人工磁导体结构下层贴片（602）均具有供所述同轴馈线和直流铜柱（8）穿过的通孔。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过直流线路选择导通一对PIN二极管，使得工作时仅一对对称振子被激励，通过选择导通不同的PIN二极管对，电控实现线极化可重构的功能；
步骤2：所述贴片电感在天线工作频段为自谐振状态，起到隔离直流偏置网络和射频信号的作用；
步骤3：具有人工磁导体结构的反射器能够同相反射天线背向辐射的电磁波，使得集成人工磁导体的多线极化可重构天线具有低剖面、高增益的特性。
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