CN108963460B - 有源频率选择表面单元及阵列、方向图可重构天线 - Google Patents

有源频率选择表面单元及阵列、方向图可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有源频率选择表面单元及阵列、方向图可重构天线，所述单元包括第一PIN二极管、第二PIN二极管以及由下而上依次层叠设置的第一介质层、金属接地层、第二介质层；所述第一介质层的下表面设置有第一形状的第一金属片，所述第一金属片设置有第一通孔，所述第一通孔的水平投影呈凹型；所述第二介质层的上表面设置有第二形状的第二金属片和矩形的第三金属片，所述第二金属片设置有矩形通孔，所述第三金属片位于所述矩形通孔内，所述矩形通孔的中心和所述第三金属片的中心重合。本发明提供的有源频率选择表面单元及阵列、方向图可重构天线，通过控制PIN二极管的通断使得天线的辐射方向图在空间实现可重构。

Description

有源频率选择表面单元及阵列、方向图可重构天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种有源频率选择表面单元及阵列、方向图可重构天线。
背景技术
随着无线通讯系统的快速发展，可重构天线作为有效利用有限光谱和空间资源的良好候选成为了研究热点，特别是方向图可重构天线已经引起大量的关注。目前，对可重构天线的研究主要集中在电可重构天线方面，通过加载射频电子器件或者使用机械的方法来改变天线的辐射传输或者辐射模式来实现天线工作模式的转换。
频率选择表面(FSS，Frequency Selective Surface)通常是由一些按照一定方式排列的金属表面缝隙或者介质表面金属贴片组成的周期性结构。它能够选择性地反射或是透射不同频率、极化、入射角度的电磁波，其本质上被认为是一种空间滤波器。有源频率选择表面是指在无源频率选择表面添加PIN二极管、变容二极管等有源器件，通过调节器件的偏置电压或者电流来改变频率选择表面特性。PIN二极管作为一种微波射频开关，具有响应速度快、体积小、价格便宜等优点，利用PIN二极管作为转换开关的可重构天线，原理上是通过PIN二极管改变天线的电流路径，研究加载PIN二极管的频率选择表面以实现天线的方向图可重构具有现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何利用加载PIN二极管的频率选择表面实现天线的方向图可重构。
本发明通过下述技术方案实现：
一种有源频率选择表面单元，包括第一PIN二极管、第二PIN二极管以及由下而上依次层叠设置的第一介质层、金属接地层、第二介质层；
所述第一介质层的下表面设置有第一形状的第一金属片，所述第一金属片设置有第一通孔，所述第一通孔的水平投影呈凹型；
所述第一介质层设置有第一过孔，所述金属接地层设置有第二通孔，所述第二介质层设置有第二过孔；
所述第二介质层的上表面设置有第二形状的第二金属片和矩形的第三金属片，所述第二金属片设置有矩形通孔，所述第三金属片位于所述矩形通孔内，所述矩形通孔的中心和所述第三金属片的中心重合，所述矩形通孔的长度方向与所述第一通孔的长度方向平行，所述矩形通孔的宽度方向与所述第一通孔的宽度方向平行，所述第三金属片通过所述第二过孔、所述第一过孔与所述第一金属片电气连接；
所述第一PIN二极管的一端和所述第二PIN二极管的一端连接所述第二金属片的上表面，所述第一PIN二极管的另一端和所述第二PIN二极管的另一端连接所述第三金属片的上表面，所述第一PIN二极管的轴线和所述第二PIN二极管的轴线重合。
可选的，所述第一形状和所述第二形状均为圆形。
可选的，所述第一PIN二极管的一端和所述第二PIN二极管的一端极性相同。
可选的，所述第一PIN二极管的一端和所述第二PIN二极管的一端极性相反。
可选的，所述第一过孔的水平投影落入所述第一金属片的水平投影和所述第二通孔的水平投影内，所述第二过孔的水平投影落入所述第三金属片的水平投影和所述第二通孔的水平投影内，所述第一过孔的水平投影和所述第二过孔的水平投影重合。
可选的，所述第一金属片、所述第一过孔、所述第二通孔、所述第二过孔以及所述第三金属片的中轴线重合。
可选的，所述有源频率选择表面单元，还包括设置有第三通孔的金属粘合层；
所述金属粘合层设置在所述第一介质层和所述金属接地层之间或者设置在所述第二介质层和所述金属接地层之间，所述第三通孔的水平投影和所述第一过孔的水平投影重合。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种有源频率选择表面，包括M行、N列呈阵列排布的上述有源频率选择表面单元，其中，M和N为不小于2的整数。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种方向图可重构天线，包括喇叭天线、控制模块以及上述有源频率选择表面；
所述喇叭天线的喇叭口位于所述有源频率选择表面的正下方；
所述控制模块用于控制所述第一PIN二极管和所述第二PIN二极管的通断。
可选的，所述控制模块为单片机。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的有源频率选择表面单元，相比于现有的频率选择表面单元具有更好的插入损耗和3dB压缩点；本发明提供的有源频率选择表面阵列，在实现方向图可重构的同时比现有的阵列具有更小的尺寸；本发明提供的方向图可重构天线，通过控制模块控制第一PIN二极管和第二PIN二极管的通断来改变所述有源频率选择表面单元的状态，进而得到不同的阵列结构，最终使得天线的辐射方向图在空间实现可重构。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例的有源频率选择表面单元的部分结构示意图；
图2是本发明实施例的接收表面的结构示意图；
图3是本发明实施例的金属接地层的结构示意图；
图4是本发明实施例的发射表面的结构示意图；
图5是本发明实施例的有源频率选择表面单元在第一状态下的S参数图；
图6是本发明实施例的有源频率选择表面单元在第二状态下的S参数图；
图7是本发明实施例的有源频率选择表面单元在两种状态下的相位图；
图8是本发明实施例的有源频率选择表面阵列的结构示意图；
图9是本发明实施例的方向图可重构天线的部分结构示意图；
图10是本发明一种实施例的有源频率选择表面阵列的工作状态示意图；
图11是本发明一种实施例的有源频率选择表面阵列的辐射方向图；
图12是本发明另一种实施例的有源频率选择表面阵列的工作状态示意图；
图13是本发明另一种实施例的有源频率选择表面阵列的辐射方向图；
图14是本发明又一种实施例的有源频率选择表面阵列的工作状态示意图；
图15是本发明又一种实施例的有源频率选择表面阵列的辐射方向图；
图16是本发明再一种实施例的有源频率选择表面阵列的辐射方向图
图17是本发明实施例的有源频率选择表面阵列在未加载喇叭天线时的辐射方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供一种有源频率选择表面单元，参考图1至图4，所述有源频率选择表面单元包括第一PIN二极管D1、第二PIN二极管D2以及由下而上依次层叠设置的第一介质层11、金属接地层12、第二介质层13。
具体地，所述第一介质层11设置有第一过孔111，所述第一过孔111为印制导线孔，即所述第一过孔111的孔壁上镀有导电的金属。参考图2，作为所述有源频率选择表面单元的接收表面，所述第一介质层11的下表面设置有第一形状的第一金属片14，所述第一金属片14设置有第一通孔141，所述第一通孔141的水平投影呈凹型，所述凹型的开口方向为所述第一通孔141的长度方向。进一步，所述第一金属片14通常为PEC覆铜，通过对PEC覆铜进行刻蚀可以获得所述第一通孔141，所述第一通孔141的尺寸可根据实际情况进行设置。作为一具体实施例，所述第一形状可以为圆形，其半径设置为1.4mm；所述第一通孔141的尺寸为：第一宽度a为1.4mm，第一长度b为2.4mm，第二宽度w为0.4mm，第二长度t为1.4mm。
参考图3，所述金属接地层12设置有第二通孔121。进一步，所述金属接地层12通常为铜箔层，通过对铜箔层进行刻蚀可以获得所述第二通孔121。
所述第二介质层13设置有第二过孔131，所述第二过孔131为印制导线孔，即所述第二过孔131的孔壁上镀有导电的金属。参考图4，作为所述有源频率选择表面单元的发射表面，所述第二介质层13的上表面设置有第二形状的第二金属片15和矩形的第三金属片16。所述第二金属片15设置有矩形通孔151，所述第三金属片16位于所述矩形通孔151内，所述矩形通孔151的中心和所述第三金属片16的中心重合，所述矩形通孔151的长度方向与所述第一通孔141的长度方向平行，所述矩形通孔151的宽度方向与所述第一通孔141的宽度方向平行，所述第三金属片16通过所述第二过孔131、所述第一过孔111与所述第一金属片14电气连接。所述第一PIN二极管D1的一端和所述第二PIN二极管D2的一端连接所述第二金属片15的上表面，所述第一PIN二极管D1的另一端和所述第二PIN二极管D2的另一端连接所述第三金属片16的上表面，所述第一PIN二极管D1的轴线和所述第二PIN二极管D2的轴线重合。
进一步，所述第二金属片15和所述第三金属片16通常为PEC覆铜，通过对PEC覆铜进行刻蚀可以获得所述矩形通孔151，所述矩形通孔151的尺寸可根据实际情况进行设置。作为一具体实施例，所述第二形状也可以为圆形，其半径设置为与所述第一金属片14的半径相同。
进一步，所述第一PIN二极管D1和所述第二PIN二极管D2可以采用串联的方式连接，也可以采用并联的方式连接。若所述第一PIN二极管D1和所述第二PIN二极管D2并联，所述第一PIN二极管D1的一端和所述第二PIN二极管D2的一端极性相同，即：所述第一PIN二极管D1的一端和所述第二PIN二极管D2的一端为阳极，所述第一PIN二极管D1的另一端和所述第二PIN二极管D2的另一端为阴极；或者，所述第一PIN二极管D1的一端和所述第二PIN二极管D2的一端为阴极，所述第一PIN二极管D1的另一端和所述第二PIN二极管D2的另一端为阳极。若所述第一PIN二极管D1和所述第二PIN二极管D2串联，所述第一PIN二极管D1的一端和所述第二PIN二极管D2的一端极性相反，即：所述第一PIN二极管D1的一端和所述第二PIN二极管D2的另一端为阳极，所述第一PIN二极管D1的另一端和所述第二PIN二极管D2的一端为阴极；或者，所述第一PIN二极管D1的一端和所述第二PIN二极管D2的另一端为阳极，所述第一PIN二极管D1的另一端和所述第二PIN二极管D2的一端为阴极。考虑若所述第一PIN二极管D1和所述第二PIN二极管D2并联，需要从所述第三金属片16进行走线，走线较为复杂，因为在本实施例中，所述第一PIN二极管D1和所述第二PIN二极管D2可以采用串联的方式连接。
进一步，所述第三金属片16通过所述第二过孔131、所述第一过孔111与所述第一金属片14电气连接，即所述第一过孔111的水平投影落入所述第一金属片14的水平投影和所述第二通孔121的水平投影内，所述第二过孔131的水平投影落入所述第三金属片16的水平投影和所述第二通孔121的水平投影内，所述第一过孔的111水平投影和所述第二过孔131的水平投影重合。作为一具体实施例，所述第一金属片14、所述第一过孔111、所述第二通孔121、所述第二过孔131以及所述第三金属片16的中轴线重合。所述第一过孔111、所述第二通孔121以及所述第二过孔131可根据实际需求进行设置，在本实施例中，所述第一过孔111和所述第二过孔131的孔径为0.1mm，所述第二通孔121的孔径为0.35mm。
进一步，所述有源频率选择表面单元还可以包括设置有第三通孔171的金属粘合层17。所述金属粘合层17设置在所述第一介质层11和所述金属接地层12之间或者设置在所述第二介质层13和所述金属接地层12之间，用于对介质层和所述金属接地层12进行加固。所述第三通孔171的水平投影和所述第一过孔111的水平投影重合，即所述第三通孔171的孔径和所述第一过孔111的孔径相同。
进一步，所述第一介质层11、所述金属接地层12、所述第二介质层13以及所述金属粘合层17的结构尺寸可以为5mmx5mm，所述第一介质层11和所述第二介质层13可以为Rogers RT6002，所述金属粘合层17可以为Arlon Cu233LX。
当所述第一PIN二极管D1断开、所述第二PIN二极管D2导通时，记为状态1；当所述第一PIN二极管D1导通、所述第二PIN二极管D2断开时，记为状态2。通过CST仿真软件得到两种状态下的S参数及其相位关系，其中，状态1的S参数如图5所示，状态2的S参数如图6所示，两种状态下的S21相位如图7所示。从上述仿真结果可以看出，在电磁波正常透射的情况下两种状态之间相位之差接近180度，相比于现有的频率选择表面单元具有更好的插入损耗和3dB压缩点。
实施例2
本实施例提供一种有源频率选择表面，包括M行、N列呈阵列排布的有源频率选择表面单元，其中，M和N为不小于2的整数，所述有源频率选择表面单元的结构可参考实施例1的描述。图8是本实施例的有源频率选择表面阵列的结构示意图，作为一具体实施例，M和N的取值均为11，即阵列由121个有源频率选择表面单元组成，整个阵列尺寸55mmx55mm。需要说明的是，各个有源频率选择表面单元的第一介质层11、金属接地层12、第二介质层13分别为同一层。
实施例3
本实施例提供一种方向图可重构天线，图9是所述方向图可重构天线的结构示意图，所述方向图可重构天线包括喇叭天线91、控制模块(图未示)以及有源频率选择表面92，所述有源频率选择表面92的结构可参考实施例2的描述。
所述喇叭天线91作为馈源，其中心频率设为32GHz。所述喇叭天线91的喇叭口位于所述有源频率选择表面92的正下方。进一步，可将所述喇叭天线91固定于转台之上，将所述有源频率选择表面92固定于无底无盖的矩形盒子中。所述控制模块用于控制所述第一PIN二极管D1和所述第二PIN二极管D2的通断，进一步，所述控制模块可以为单片机。
本实施例提供的方向图可重构天线，通过所述控制模块控制所述第一PIN二极管D1和所述第二PIN二极管D2的通断来切换所述有源频率选择表面92的状态，实现天线方向图可控。在本实施例中，用黑色代表状态1、白色代表状态2。阵列一的示意图如图10所示，方向图如图11所示，中心频率为32GHz，主波束方向为0度，最大增益为19.3dB，3dB波束宽度为15.4deg，旁瓣电平等于-13.9dB。阵列二的示意图如图12所示，方向图如图13所示，中心频率32GHz，主波束方向为37度，最大增益为14.8dB，3dB波束宽度为20.8deg，旁瓣电平等于-4.7dB。阵列三的示意图如图14所示，方向图一如图15所示，中心频率32GHz，主波束方向为52度，最大增益为13.9dB，3dB波束宽度为22.3deg，旁瓣电平等于-2.0dB；方向图二如图16所示，中心频率32GHz，主波束方向为315度，最大增益为13.9dB，3dB波束宽度为15.5deg，旁瓣电平等于-6.2dB。未加载所述有源频率选择表面92的单个所述喇叭天线91作为参考，方向图如图17所示，中心频率32GHz，主波束方向为0度，最大增益为13.4dB，3dB波束宽度为41.1deg，旁瓣电平等于-26.5dB。可以看出，在所述喇叭天线91前方加载阵列一结构将不会改变天线的波束方向，加载阵列二结构将会使得天线的波束方向往单一方向发生37度的偏转(一维偏转)，加载阵列三结构将会使得波束在水平方向发生52度的偏转，同时在垂直方向产生45度的偏转(二维偏转)。
以上数据表明，本实施例提供的方向图可重构天线能够实现天线方向图的可重构，而且在改变天线波束方向的同时也提高了天线自身的增益。并且，所述有源频率选择表面92尺寸较小，具有小型化的特点。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有源频率选择表面单元，其特征在于，包括第一PIN二极管、第二PIN二极管以及由下而上依次层叠设置的第一介质层、金属接地层、第二介质层；
所述第一介质层的下表面设置有第一形状的第一金属片，所述第一金属片设置有第一通孔，所述第一通孔的水平投影呈凹型；
所述第一介质层设置有第一过孔，所述金属接地层设置有第二通孔，所述第二介质层设置有第二过孔；
所述第二介质层的上表面设置有第二形状的第二金属片和矩形的第三金属片，所述第二金属片设置有矩形通孔，所述第三金属片位于所述矩形通孔内，所述矩形通孔的中心和所述第三金属片的中心重合，所述矩形通孔的长度方向与所述第一通孔的长度方向平行，所述矩形通孔的宽度方向与所述第一通孔的宽度方向平行，所述第三金属片通过所述第二过孔、所述第一过孔与所述第一金属片电气连接；
所述第一PIN二极管的一端和所述第二PIN二极管的一端连接所述第二金属片的上表面，所述第一PIN二极管的另一端和所述第二PIN二极管的另一端连接所述第三金属片的上表面，所述第一PIN二极管的轴线和所述第二PIN二极管的轴线重合。
2.根据权利要求1所述的有源频率选择表面单元，其特征在于，所述第一形状和所述第二形状均为圆形。
3.根据权利要求1所述的有源频率选择表面单元，其特征在于，所述第一PIN二极管的一端和所述第二PIN二极管的一端极性相同。
4.根据权利要求1所述的有源频率选择表面单元，其特征在于，所述第一PIN二极管的一端和所述第二PIN二极管的一端极性相反。
5.根据权利要求1所述的有源频率选择表面单元，其特征在于，所述第一过孔的水平投影落入所述第一金属片的水平投影和所述第二通孔的水平投影内，所述第二过孔的水平投影落入所述第三金属片的水平投影和所述第二通孔的水平投影内，所述第一过孔的水平投影和所述第二过孔的水平投影重合。
6.根据权利要求5所述的有源频率选择表面单元，其特征在于，所述第一金属片、所述第一过孔、所述第二通孔、所述第二过孔以及所述第三金属片的中轴线重合。
7.根据权利要求5所述的有源频率选择表面单元，其特征在于，还包括设置有第三通孔的金属粘合层；
所述金属粘合层设置在所述第一介质层和所述金属接地层之间或者设置在所述第二介质层和所述金属接地层之间，所述第三通孔的水平投影和所述第一过孔的水平投影重合。
8.一种有源频率选择表面，其特征在于，包括M行、N列呈阵列排布的权利要求1至7任一项所述的有源频率选择表面单元，其中，M和N为不小于2的整数。
9.一种方向图可重构天线，其特征在于，包括喇叭天线、控制模块以及权利要求8所述的有源频率选择表面；
所述喇叭天线的喇叭口位于所述有源频率选择表面的正下方；
所述控制模块用于控制所述第一PIN二极管和所述第二PIN二极管的通断。
10.根据权利要求9所述的方向图可重构天线，其特征在于，所述控制模块为单片机。
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