CN109494461A - 一种基于超表面的方向图可重构天线 - Google Patents

一种基于超表面的方向图可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面的方向图可重构天线，包括：依次层叠的第二介质板、缝隙地板和第一介质板；所述的第一介质板远离缝隙地板的一面设有M行、N列的贴片阵；所述的贴片阵由M x N片贴片组成；每片所述的贴片上均设有金属化通孔，所述的金属化通孔贯穿第一介质板和缝隙地板；同一列的相邻两行的贴片之间设有开关，同一列的所有开关组成开关组，同一开关组内的所有开关同步开闭；所述的第一介质板设有N个开关组；所述的第二介质板远离缝隙地板的一面设有馈电线。其优点在于：无需配备移相系统即可实现方向图可重构天线。本方向图可重构天线具有多工作状态，体积小，重量轻，损耗低，结构简单，一致性好等优点。

Description

一种基于超表面的方向图可重构天线
技术领域
本发明涉及微波技术领域，涉及一种方向图可重构天线，特别涉及一种C波段的基于超表面的方向图可重构天线。
背景技术
现代无线通信技术的快速发展造成了频谱资源的日益紧缺，如何有效地利用有限的频谱资源、提高频谱利用率成为急需解决的问题。为了满足现代通讯系统对天线性能“灵活多变”的需要，可将可调电磁超材料与传统天线进行合理结合，构成方向图可重构天线(Pattern Reconfigurable Antenna,PRA)，通过外部控制系统(电子、机械等手段)来改变天线的辐射特性，具体是控制并改变天线的辐射方向图(包括前向增益、主瓣宽度、主瓣角度等)，而在保证天线正常辐射性能的同时，利用电磁超材料的加载进一步优化天线布局从而完成小型化和一体化设计，利于与整机系统进行集成和融合。
方向图可重构天线在保持工作频率和极化特性不变，而令其辐射方向图具备可重构性质。因为天线的辐射方向图特性由天线结构上的电流分布所决定，所以为了设计所需要的方向图可重构天线，天线研究人员需要改变并选择辐射结构上的电流分布。传统方向图可重构天线是依靠相控阵技术实现的，需要配备复杂的移相系统。移相器价格昂贵、体积较大且具有功率极限，给其应用带来了一定局限性。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种基于超表面的方向图可重构天线。本发明无需移相系统即可实现方向图可重构天线，在确保高性能的同时，可解决结构复杂、损耗及成本高的问题。
本发明所述的一种基于超表面的方向图可重构天线，包括：依次层叠的第二介质板、缝隙地板和第一介质板；所述的第一介质板远离缝隙地板的一面设有M行、N列的贴片阵；所述的贴片阵由M x N片贴片组成；每片所述的贴片上均设有金属化通孔，所述的金属化通孔贯穿第一介质板和缝隙地板；同一列的相邻两行的贴片之间设有开关，同一列的所有开关组成开关组，同一开关组内的所有开关同步开闭；所述的第一介质板设有N个开关组；所述的第二介质板远离缝隙地板的一面设有馈电线。
优选地，所述的金属化通孔设置在贴片的几何中心处。
优选地，所述的行取值范围为2至16，列取值范围为2至16。
优选地，所述的第一介质板的基板厚度h＝2mm～4mm，其介电常数为2.1～10；所述第二介质板的厚度t＝1mm～3mm，其介电常数为2.1～10。
优选地，所述的贴片阵的行周期间距为p1，所述的贴片阵的列周期为p2；所述的行周期间距p1＝8mm～14mm，列周期间距p2＝6mm～12mm，且行周期间距p1≥列周期间距p2。
优选地，所述的贴片为矩形贴片；所述的贴片的长边a的长度范围为7mm～13mm，短边b的长度范围为5mm～11mm。
优选地，所述金属化通孔的孔径d＝0.2mm～1mm。
优选地，所述的缝隙地板的缝隙长度ls＝10mm～100mm，缝隙宽度ws＝0.5mm～5mm。
优选地，所述的馈电线的长度lf＝10mm～100mm，宽度wf＝0.5mm～5mm。
本发明所述的一种基于超表面的方向图可重构天线，其优点在于，在第一介质板表面的贴片之间设置开关组，通过改变开关组的开闭控制相邻贴片之间的电连接，进而改变第一介质板的电学性能，以此来控制电磁波在第一介质板处的辐射特性；使所述方向图可重构天线可以通过开关组切换不同的工作状态，能适用于波束扫描。
本发明无需配备移相系统即可实现方向图可重构天线，使本发明体积小，重量轻，损耗低，结构简单，一致性好，易于加工生产；同时易于集成在通信系统中，提高系统灵活性。
本发明由于能根据实际需求通过调节贴片阵的尺寸和周期，来改变天线的工作频率，无需配备移相系统，设计简单灵活，相对于通过电调控改变工作频率的方式，成本与复杂度均降低。
附图说明
图1是本发明所述一种基于超表面的方向图可重构天线的结构示意图；
图2为本发明中矩形贴片的结构示意图；
图3为本发明中缝隙地板的结构示意图；
图4为本发明实施例1在五种工作状态下的反射系数；
图5为本发明实施例1在状态一的归一化方向图；
图6为本发明实施例1在状态二的归一化方向图；
图7为本发明实施例1在状态三的归一化方向图；
图8为本发明实施例1在状态四的归一化方向图；
图9为本发明实施例1在状态五的归一化方向图。
附图标记说明：1-第一介质板，2-第二介质板，3-缝隙地板，4-贴片阵，5-金属化通孔，6-馈电线，7-开关组，71-开关，p1-行周期间距，p2-列周期间距。
具体实施方式
下面以设有4x 3的贴片阵的方向图可重构天线为例，结合附图详细地阐述本发明。
参照图1，第一介质板1、第二介质板2均采用FR-4环氧树脂板材料，其介电常数εr＝4.4±0.05，介电损耗tanδ＝0.02，第一介质板1厚度h＝3mm、第二介质板2厚度t＝1mm；在第一介质板1的上表面印制有由3×4个矩形贴片组成的贴片阵4，且行周期间距p1＝11mm，列周期间距p2＝8.5mm；在第一介质板1的下表面印制有缝隙地板3，在第一介质板1和缝隙地板3打钻有4x 3个金属化通孔5，孔径d＝0.4mm，金属化通孔5中轴线与矩形贴片的几何中心相对齐。第二介质板2的下表面印制有馈电线6，馈电线6长度lf＝24mm，宽度wf＝2mm。
开关组7设置三组，分别定义为A、B、C开关组。每组开关组内包括三个开关；所述的开关设置在同一列的相邻两行的贴片之间。第一列的所有开关组成开关组A，第二列的所有开关组成开关组B，第三列的所有开关组成开关组C。同一开关组内的所有开关同步开闭。
本发明的工作原理为：电磁波从第二介质板2进入缝隙地板3，通过缝隙地板3的缝隙进入第一介质板1；通过控制开关组的开闭控制该开关组所在的贴片列的导通或关断，以此控制第一介质板1的电学性能，进而改变电磁波在第一介质板1处的辐射特性。
参照图2，所述的贴片为矩形贴片，矩形贴片的长边a＝10mm，宽边b＝7.5mm。
参照图3，缝隙地板3的缝隙长ls＝24mm，宽ws＝3mm。
实施例2
实施例2与实施例1的结构相同，仅对如下参数作调整：
所述第一介质板1和第二介质板2均采用Teflon(tm)，其介电常数εr＝2.1，介电损耗tanδ＝0.001，第一介质板1厚度h＝2mm、第二介质板2厚度t＝1mm；贴片阵4为2x 2型贴片阵，行周期间距p1＝8mm，列周期间距p2＝6mm；矩形贴片长边长a＝7mm，宽边长b＝5mm；金属化通孔5的孔径d＝0.2mm；缝隙地板3的缝隙长度ls＝10mm，缝隙宽度ws＝0.5mm；馈电线6的长度lf＝10mm，宽度wf＝0.5mm。
实施例3
实施例3与实施例1的结构相同，仅对如下参数作调整：
所述第一介质板1和第二介质板2均采用Taconic CER-10(tm)，其介电常数εr＝10，介电损耗tanδ＝0.035，第一介质板1厚度h＝4mm、第二介质板2厚度t＝3mm；贴片阵4为16x 16型贴片阵，行周期间距p1＝14mm，列周期间距p2＝12mm；矩形贴片长边a＝13mm，宽边b＝11mm；金属化通孔5的孔径d＝1mm；缝隙地板3的缝隙长度ls＝100mm，缝隙宽度ws＝5mm；馈电线6的长度lf＝100mm，宽度wf＝5mm。
以下结合实施例1的仿真结果对本发明的效果作进一步描述：
1、仿真内容：
采用Ansys HFSS 16.0，对实施例1的仿真模型进行全波仿真，通过控制天线上面不同的开关组的开关状态，从而得到天线的五种工作状态。实施例2、实施例3在结构上与实施例1相同，仅改变了各个元件的参数数值，其仿真结果与实施例1相似。
2、仿真结果：
参照图4，本发明实施例1中，天线在五种工作状态下的共有工作频带为5.4-5.9GHz。由于天线结构的对称性，天线的工作状态一与状态五的回波损耗曲线相同，状态二和状态四的回波损耗曲线相同。
如图5所示，当开关组A断开且开关组B和开关组C接通的时候，天线工作在状态一，其最大辐射方向约为-90°。
如图6所示，当开关组A和开关组B断开且开关组C接通的时候，天线工作在状态二，其最大辐射方向约为-15°。
如图7所示，当开关组A、开关组B和开关组C全部断开的时候，天线工作在状态三，其最大辐射方向为0°。
如图8所示，当开关组A接通且开关组B和开关组C断开的时候，天线工作在状态四，其最大辐射方向约为15°。
如图9所示，当开关组A和开关组B接通且开关组C断开的时候，天线工作在状态五，其最大辐射方向约为90°。
综上所述，通过改变各个开关组的开闭状态，可改变电磁波的辐射方向。本发明无需配备移相系统即可实现方向图可重构天线。本方向图可重构天线具有多工作状态，体积小，重量轻，损耗低，结构简单，一致性好等优点。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超表面的方向图可重构天线，其特征在于，包括：依次层叠的第二介质板(2)、缝隙地板(3)和第一介质板(1)；所述的第一介质板(1)远离缝隙地板(3)的一面设有M行、N列的贴片阵(4)；所述的贴片阵(4)由M x N片贴片组成；每片所述的贴片上均设有金属化通孔(5)，所述的金属化通孔(5)贯穿第一介质板(1)和缝隙地板(3)；同一列的相邻两行的贴片之间设有开关(71)，同一列的所有开关(71)组成开关组(7)，同一开关组(7)内的所有开关(71)同步开闭；所述的第一介质板(1)设有N个开关组(7)；所述的第二介质板(2)远离缝隙地板(3)的一面设有馈电线(6)。
2.根据权利要求1所述一种基于超表面的方向图可重构天线，其特征在于，所述的金属化通孔(5)设置在贴片的几何中心处。
3.根据权利要求1所述一种基于超表面的方向图可重构天线，其特征在于，所述的行取值范围为2至16，列取值范围为2至16。
4.根据权利要求1所述一种基于超表面的方向图可重构天线，其特征在于，所述的第一介质板(1)的基板厚度h＝2mm～4mm，其介电常数为2.1～10；所述第二介质板(2)的厚度t＝1mm～3mm，其介电常数为2.1～10。
5.根据权利要求1所述一种基于超表面的方向图可重构天线，其特征在于，所述的贴片阵(4)的行周期间距为p1，所述的贴片阵(4)的列周期间距为p2；所述的行周期间距p1＝8mm～14mm，列周期间距p2＝6mm～12mm，且行周期间距p1≥列周期间距p2。
6.根据权利要求1所述一种基于超表面的方向图可重构天线，其特征在于，所述的贴片为矩形贴片；所述的贴片的长边a的长度范围为7mm～13mm，短边b的长度范围为5mm～11mm。
7.根据权利要求2所述一种基于超表面的方向图可重构天线，其特征在于，所述金属化通孔(5)的孔径d＝0.2mm～1mm。
8.根据权利要求1所述一种基于超表面的方向图可重构天线，其特征在于，所述的缝隙地板(3)的缝隙长度ls＝10mm～100mm，缝隙宽度ws＝0.5mm～5mm。
9.根据权利要求1所述一种基于超表面的方向图可重构天线，其特征在于，所述的馈电线(6)的长度lf＝10mm～100mm，宽度wf＝0.5mm～5mm。
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