CN109494458A - 一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，属天线设计领域。该天线包括上层介质基板，下层介质基板，三个相同的顶端加载的折叠单极子，馈电结构，同轴电缆和金属地板。本发明首先将顶端加载的贴片合理设计成扇形，使之可以集成在同一介质基板上以减小天线尺寸；然后在扇形贴片上刻蚀弧形槽进一步减小单极子单元的尺寸；最后巧妙地利用三个PIN开关二极管，使单极子交替作为激励振子和寄生振子，实现天线方向图可重构，这种交替的工作模式极大程度地减小了天线尺寸。本发明设计了一款具有三种方向图可重构模式，可实现水平方向360°扫描，同时兼具剖面低，结构紧凑的垂直极化天线。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线。
背景技术
一方面，方向图可重构垂直极化天线在提高信噪比，减小多径效应，节约能量等方面具有极大优势；另一方面，垂直极化相对于水平极化而言，垂直极化方式不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，近年来方向图可重构垂直极化天线受到广泛关注。但在诸多之前的研究中，大多数可重构垂直极化天线采用在天线中间放置一个单极子天线单元作为激励振子，天线周围环绕数个寄生单极子单元，通过使用如PIN管，变容管等有源器件进行控制，选取部分寄生单极子与激励振子构成八木天线，形成端射波束，来实现天线的方向图可重构，当天线工作在某个端射状态时，总有寄生单极子处于空闲状态，这无疑造成了天线空间利用率低，导致天线尺寸大，不利于天线的安装使用。如今，无限通信系统正朝着小型化发展，可用于天线安装的空间也在不断缩减，设计具有良好辐射特性的结构简单，剖面低，结构紧凑的方向图可重构垂直极化天线是必然趋势也是难点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线。本发明首先将顶端加载的贴片形状合理设计成扇形，使之可以集成在同一介质基板上以减小天线尺寸；然后在扇形贴片上刻蚀弧形槽进一步减小顶端加载的折叠单极子单元的尺寸；最后通过控制馈电结构上加载的PIN开关二极管的通断，选取其中一个顶端加载的折叠单极子作为激励振子，其余两个顶端加载的折叠单极子均作为寄生振子构成反射器，利用八木天线原理在通带内实现良好的端射辐射方向图，通过巧妙地利用三个PIN开关二极管，使顶端加载的折叠单极子交替作为激励振子和寄生振子，实现天线方向图可重构，这种交替的工作模式极大程度地减小了天线尺寸。从而设计出一款具有三种方向图可重构模式，可实现水平方向360°扫描，同时兼具剖面低，结构紧凑的垂直极化天线。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，包括上层介质基板(1)、下层介质基板(2)、顶端加载的折叠单极子(3)、馈电结构(4)、同轴电缆(5)和大地板(6)。所述上层介质基板(1)与下层介质基板(2)平行且彼此隔开放置，下层介质基板(2)位于上层介质基板(1)下方；所述顶端加载的折叠单极子(3)由带有弧形槽的扇形贴片(7)、激励铜柱(8)和短路铜柱(9)组成；所述馈电结构(4)由三条支路组成，馈电结构中心与同轴电缆(5)内导体相连。每条支路由若干金属贴片、一个电容(10)、一个PIN开关二极管(11)和两个绕线电感(12)组成，外加直流偏置电源实现电可控方向图可重构；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过印制电路板技术印制在上层介质基板(1)的上表面；馈电结构印制在下层基板上表面，下层基板下表面敷铜箔，铜箔与同轴电缆(5)外导体相连，且与大地板(6)相连；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过激励铜柱(8)与馈电结构(4)相连，且通过短路铜柱与下层基板(2)下表面铜箔(地)相连。
进一步，所述介质基板的半径均为24mm，厚度均为0.76mm，两介质基板相距4.98mm。
进一步，所述顶端加载的折叠单极子(3)完全相同，一方面将顶端加载的贴片合理设计成扇形，使之可以集成在同一介质基板上以减小天线尺寸；另一方面在扇形贴片上刻蚀弧形槽进一步减小顶端加载的折叠单极子单元的尺寸。
进一步三个所述带有弧形槽的扇形贴片(7)均匀分布在上层基板(1)上表面，扇形贴片之间间隔距离为6mm。
进一步，所述带有弧形槽的扇形贴片(7)的弧形槽内半径为20mm，弧形槽宽度为2.2mm，弧形槽末端距离扇形边缘3mm。
进一步，所述激励铜柱(8)竖直放置，长度为5.74mm，其中心距离天线中心8.5mm，连接扇形贴片与馈电结构；所述短路铜柱(9)竖直放置，长度为6.5mm，其中心距离天线中心13.8mm，连接扇形贴片与下层介质基板下表面的铜箔(地)。
进一步所述馈电结构(4)由夹角为120°的三条支路构成，三条支路完全相同，三条支路对应放置在扇形贴片正下方，每条支路由若干金属条带、一个电容(10)、一个PIN开关二极管(11)和两个绕线电感(12)组成，两个电感分别位于与PIN开关二极管正极和负极相连的金属条带旁。
通过在馈电结构上巧妙地利用三个PIN开关二极管，使顶端加载的折叠单极子交替作为激励振子和寄生振子，实现三种可重构的端射辐射模式状态1、状态2和状态3，三种模式主波束朝向对应的顶端加载折叠单极子，通过电控开关实现三种模式实时切换，可实现水平面360°全方位扫描。
具体地，如图1所示，当选中位于-y轴的PIN开关二极管导通，其余两个PIN开关二极管断开时，位于-y轴的与选中的PIN开关二极管支路相连的顶端加载的折叠单极子即作为激励振子，与断开的PIN开关二极管支路相连的单极子即作为寄生振子构成反射器，天线的主波束朝着激励振子方向(-y轴)，将此状态命名为状态1；状态1顺时针旋转120°可得到的状态命名为状态2；状态1逆时针旋转120°可得到的状态命名为状态3。
进一步，所述同轴电缆(5)的内导体接于馈电结构中心，外导体接于下层介质基板下表面铜箔上。
进一步，所述大地板(6)为半径30cm的铜板，且与下层介质基板(2)下表面铜箔相连。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和实验结果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明：
附图中的各附图标记分别为：1-上层介质基板，2-下层介质基板，3-顶端加载的折叠单极子，4-馈电结构，5-同轴电缆，6-金属地板，7-带有弧形槽的扇形贴片，8-激励铜柱，9-短路铜柱，10-电容，11-PIN开关二极管，12-绕线电感；
图1为本发明所述天线的整体结构三维视图；
图2为本发明天线的上层介质基板俯视图；
图3为本发明天线的下层介质基板俯视图；
图4为本发明天线在三种方向图可重构状态下的仿真和测试S参数曲线图；
图5为本发明天线在第一个谐振点时E面及H面仿真和测试的二维辐射方向图。
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说明。
图1为本发明所述方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线的整体结构三维视图，如图1所示，该天线包括上层介质基板(1)、下层介质基板(2)、三个完全相同的顶端加载的折叠单极子(3)、馈电结构(4)、同轴电缆(5)和大地板(6)。
如图1所示，所述上层介质基板(1)与下层介质基板(2)平行且彼此隔开放置，下层介质基板(2)位于上层介质基板(1)正下方。两介质基板均采用Taconic RF-35，其相对介电常数为3.5，损耗角正切为0.0018，基板半径均为24mm，厚度均为0.76mm，两介质基板相距4.98mm。所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过印制电路板技术印制在上层介质基板(1)的上表面，馈电结构印制在下层基板上表面，下层基板下表面敷铜箔，铜箔与同轴电缆(5)外导体相连，且与大地板(6)相连。
如图1和图2所示，所述顶端加载的折叠单极子(3)由带有弧形槽的扇形贴片(7)、激励铜柱(8)和短路铜柱(9)组成。所述带有弧形槽的扇形贴片(7)一方面被合理地设计成扇形，使之可以集成在同一介质基板上以减小天线尺寸；另一方面在扇形贴片上刻蚀弧形槽以减小顶端加载的折叠单极子单元的尺寸。所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过印制电路板技术印制在上层介质基板(1)的上表面，三个扇形贴片均匀分布在上层基板(1)上表面，扇形贴片(3)之间间隔距离为6mm。所述带有弧形槽的扇形贴片(7)的弧形槽内半径为20mm，弧形槽宽度为2.2mm，弧形槽末端距离扇形边缘3mm；所述激励铜柱(8)竖直放置，长度为5.74mm，其中心距离天线中心8.5mm，连接扇形贴片与馈电结构；所述短路铜柱(9)竖直放置，长度为6.5mm，其中心距离天线中心13.8mm，连接扇形贴片与下层介质基板下表面的铜箔(地)。
如图3所示，所述馈电结构(4)由三条支路构成，三条支路完全相同，三条支路对应放置在扇形贴片正下方，每条支路由若干金属贴片、一个电容(10)、一个PIN开关二极管(11)和两个绕线电感(12)组成，两个电感分别位于与PIN开关二极管正极和负极相连的金属条带旁。
通过在馈电结构上巧妙地利用三个PIN开关二极管，使顶端加载的折叠单极子交替作为激励振子和寄生振子，实现三种可重构的端射辐射模式状态1、状态2和状态3，三种模式主波束朝向对应的顶端加载折叠单极子，通过电控开关实现三种状态实时切换，可实现水平面360°全方位扫描。具体地，如图1所示，当选中位于-y轴的PIN开关二极管导通，其余两个PIN开关二极管断开时，位于-y轴的与选中的PIN开关二极管所在支路相连的顶端加载的折叠单极子即作为激励振子，与断开的PIN开关二极管所在支路相连的单极子即作为寄生振子构成反射器，根据八木天线辐射原理，天线的主波束朝着激励振子方向(-y轴)，将此状态命名为状态1；状态1顺时针旋转120°可得到的状态命名为状态2；状态1逆时针旋转120°可得到的状态命名为状态3。
所述同轴电缆(5)的内导体接于馈电结构中心，外导体接于下层介质基板下表面铜箔上。
所述大地板(6)为半径30cm的铜板，且与下层介质基板(2)下表面铜箔相连。
参照图2、3，R1代表介质基板的半径，R2代表短路铜柱中心与天线中心的距离，R3代表扇形贴片内侧扇形切角的半径，R4代表扇形贴片上弧形槽的内测半径，R5代表激励铜柱中心与天线中心的距离，W1代表扇形贴片上弧形槽的宽度，W2代表相邻扇形贴片间的距离，W3代表相邻弧形槽之间的距离，W4代表馈电结构金属贴片的宽度，W5代表电感与激励铜柱中心的水平距离，W6代表PIN开关二极管与馈电结构中心的距离，W7代表PIN开关二极管与电容之间的距离，D1代表激励铜柱的直径，D2代表短路铜柱的直径，D3代表馈电结构末端用于与激励铜柱相连的圆形贴片的直径，G1代表加载PIN开关二极管所留的间隙带宽，G2代表加载电容所留的间隙带宽。
表1本发明各参数优化后尺寸表
| 参数 | 尺寸(mm) |
| R1 | 24 |
| R2 | 13.8 |
| R3 | 5 |
| R4 | 20 |
| R5 | 8.5 |
| W1 | 2.2 |
| W2 | 6 |
| W3 | 12 |
| W4 | 1.5 |
| W5 | 3.5 |
| W6 | 2.05 |
| W7 | 2.05 |
| D1 | 3.2 |
| D2 | 4.6 |
| D3 | 4.2 |
| G1 | 0.4 |
| G2 | 0.5 |
依照上述参数，使用电磁三维仿真软件HFSS对所设计的方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线的反射系数|S11|特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：
图4为本发明的仿真和测试得到的S参数随频率变化的曲线图。如图4所示，所涉及的天线仿真结果显示三种波束状态下匹配曲线完全相同，仿真工作频带为2.1-2.342GHz，-10dB带宽为242MHz，对应的分数带宽为10.9％。测试结果显示，当天线工作在状态1时，天线的工作频带为2.113-2.348GHz，-10dB带宽为235MHz，对应的分数带宽为10.5％；当天线工作在状态2时，天线的工作频带为2.09-2.335GHz，-10dB带宽为245MHz，对应的分数带宽为11.1％；当天线工作在状态3时，天线的工作频带为2.065-2.323GHz，-10dB带宽为258MHz，对应的分数带宽为11.8％。仿真结果与测试结果基本吻合。
图5为仿真的天线在状态1，状态2和状态3在第一个谐振点时的仿真和测试二维辐射方向图。如图5所示，当天线工作在状态1时，仿真的主波束辐射方向朝着270°方向(-y轴方向)，H面覆盖190°-350°，覆盖水平面160°范围；当天线工作在状态2时，仿真的主波束辐射方向冲朝向30°，H面覆盖-50°-110°，覆盖水平面160°范围；当天线工作在状态3时，仿真的主波束辐射方向冲朝向150°，H面覆盖-70°-230°，覆盖水平面160°范围。如图5所示，测试结果与仿真结果基本吻合。天线在H面3-dB波束宽度在三种状态下均超过120°，所以通过三个状态动态切换可实现水平面360°全方位扫描。
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，但是，本发明并不限于上述实施方式的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
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，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，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。
Claims (9)
1.一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特点在于：包括上层介质基板(1)、下层介质基板(2)、顶端加载的折叠单极子(3)、馈电结构(4)、同轴电缆(5)和大地板(6)。所述上层介质基板(1)与下层介质基板(2)平行且彼此隔开放置，下层介质基板(2)位于上层介质基板(1)正下方；所述顶端加载的折叠单极子(3)由带有弧形槽的扇形贴片(7)、激励铜柱(8)和短路铜柱(9)组成；所述馈电结构(4)由夹角为120°的三条支路组成，馈电结构中心与同轴电缆(5)内导体相连。每条支路由若干金属贴片、一个电容(10)、一个PIN开关二极管(11)和两个绕线电感(12)组成，外加直流偏置电源实现电可控方向图可重构；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过印制电路板技术印制在上层介质基板(1)的上表面；馈电结构(4)印制在下层基板上表面；下层基板下表面敷铜箔，铜箔与同轴电缆(5)外导体相连，且与大地板(6)相连；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)，一方面被合理设计成扇形，使三个贴片可以集成在同一介质基板上以减小天线尺寸；另一方面在扇形贴片上刻蚀弧形槽进一步减小顶端加载的折叠单极子单元的尺寸；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过激励铜柱(8)与馈电结构(4)相连，且通过短路铜柱(9)与下层基板(2)下表面铜箔(地)相连。
2.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特征在于：所述上层介质基板(1)与下层介质基板(2)的半径均为24mm，厚度均为0.76mm。
3.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特征在于：所述顶端加载的折叠单极子(3)完全相同，其顶端加载的三个带有弧形槽的扇形贴片均匀地分布在上层基板(1)上表面，扇形贴片(7)之间间隔距离为6mm。
4.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特征在于：所述带有弧形槽的扇形贴片(7)的弧形槽内半径为20mm，弧形槽宽度为2.2mm，弧形槽末端距离扇形边缘3mm。
5.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特征在于：所述激励铜柱(8)竖直放置，长度为5.74mm，其中心距离天线中心8.5mm，连接扇形贴片与馈电结构；所述短路铜柱(9)竖直放置，长度为6.5mm，其中心距离天线中心13.8mm，连接扇形贴片与下层介质基板下表面的铜箔(地)。
6.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特征在于：所述馈电结构(4)由夹角为120°的三条支路构成，三条支路完全相同，三条支路对应放置在扇形贴片正下方，每条支路由若干金属条带、一个电容(10)、一个PIN开关二极管(11)和两个绕线电感(12)组成，两个电感分别位于与PIN开关二极管正极和负极相连的金属条带旁。
7.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特征在于：通过在馈电结构上加载三个PIN开关二极管，外加直流偏置电压可实现三种端射辐射模式状态1、状态2和状态3，三种模式主波束朝向对应的顶端加载折叠单极子，通过电控开关实现三种模式实时切换，从而可实现水平面360°全方位扫描。
8.根据权利要求7所述的一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特征在于：通过巧妙地利用三个PIN开关二极管，使顶端加载的折叠单极子交替作为激励振子和寄生振子，实现天线方向图可重构，这种交替的工作模式极大程度地减小了天线尺寸。
9.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特征在于：所述同轴电缆(5)的内导体接于馈电结构中心，外导体接于下层介质基板下表面铜箔上。所述大地板(6)为半径30cm的铜板，且与下层介质基板(2)下表面铜箔相连。
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