CN109524799B - 加载变容二极管的方向图扫描贴片天线 - Google Patents

加载变容二极管的方向图扫描贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种加载变容二极管的方向图扫描贴片天线，包括辐射贴片层(1)、半固化片层(2)以及微带线层(3)；所述半固化片层(2)设置在微带线层(3)和辐射贴片层(1)之间。所述辐射贴片层(1)包括贴片(4)、馈电探针(5)、短路探针(6)以及辐射贴片层地板(18)；所述微带线层(3)包括可重构电路、T型阻抗匹配网络以及微带线层地板(19)；本发明为对称结构，能够用于实现二维方向图扫描；由于辐射贴片的尺寸较小、剖面低，具有对于阵列天线的设计匹配度高的优点；本发明中辐射贴片、射频微带线都为直流接地，因此整个天线不需要隔直电容，能够有效提高天线的效率。

Description

加载变容二极管的方向图扫描贴片天线
技术领域
本发明涉及方向图扫描天线，具体地，涉及一种加载变容二极管的方向图扫描贴片天线，尤其涉及一种加载变容二极管的方向图主波束和零点扫描贴片天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，对天线性能提出了更高的需求，要求天线在不同的角度范围内都具有稳定的工作性能。因此，具备多种工作模式的方向图可重构天线受到了广泛的关注。作为方向图重构天线的一种，方向图扫描天线可以实现在空间内很宽的角度范围的高增益波束或零点覆盖。在MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多入多出) 系统中，方向图扫描天线可以提高系统的信道容量；在无线通信系统中，如WIFI、 WIMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入)等，可以提高传输速度和覆盖范围；在相控阵系统中，可以实现相控阵的大角度扫描，降低扫描到大角度时的增益滚降。此外，天线方向图的零点扫描可以降低相邻系统之间的干扰。
方向图重构的实现方式有很多，按照实现原理大致可以分为两类：一是加载短路探针，这类方向图重构天线大多为贴片天线，在贴片与地板之间加载短路探针以产生不同的电流分布，进而实现方向图重构。第二种是加载寄生单元，在主辐射单元周围加载多个寄生单元，通过控制这些寄生单元在反射/传输两种模式之间切换，实现方向图重构。经文献检索，Shaoqiu Xiao和Chunrong Zheng等人2015年在IEEE Transaction on Antennas andPropagation(天线与传播会刊)期刊上发表的文章“Varactor-Loaded PatternReconfigurable Array for Wide-Angle Scanning With Low Gain Fluctuation(用于广角扫描的变容二极管加载模式的低增益波动可重配置阵列)”提出了一种加载变容二极管的方向图扫描Yagi(八木)天线，虽然这种天线在大角度时有较好的辐射特性，但是这种天线只能进行一维扫描，并且扫描角度范围有限，增益较低，不能进行零点扫描。同时具备方向图波束和零点扫描功能，并且增益高、尺寸较小的方向图扫描天线，不仅可以应用于无线通信系统中，提升系统的信道容量和传输速率，降低不同系统之间的干扰，还可以应用于阵列天线设计，降低大角度扫描时的增益滚降。但在这一领域的发明较少，还需要进一步的研究。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种加载变容二极管的方向图扫描贴片天线。
根据本发明提供的一种加载变容二极管的方向图扫描贴片天线，包括辐射贴片层、半固化片层以及微带线层；
所述半固化片层设置在微带线层和辐射贴片层之间。
优选地，所述辐射贴片层包括贴片、馈电探针、短路探针以及辐射贴片层地板；
所述贴片设置在辐射贴片层远离半固化片层一侧；
所述辐射贴片层地板设置在辐射贴片层靠近半固化片层一侧；
馈电探针设置在贴片上，贯穿辐射贴片层和微带线层；
短路探针设置在贴片上，贯穿辐射贴片层和微带线层。
优选地，所述微带线层包括可重构电路、T型阻抗匹配网络以及微带线层地板；
所述可重构电路设置在在微带线层远离半固化片层一侧，通过连接探针与贴片相连，所述连接探针贯穿辐射贴片层和微带线层；
所述T型阻抗匹配网络设置在在微带线层远离半固化片层一侧；
所述微带线层地板设置在微带线层靠近半固化片层一侧。
优选地，所述可重构电路包括第一微带线、第一变容二极管以及第一枝节；所述第一变容二极管设置在第一微带线和第一枝节之间。
优选地，所述T型阻抗匹配网络包括第二微带线、第二变容二极管以及第二枝节；所述第二变容二极管和第二枝节并联在第二微带线间。
优选地，所述第一枝节为串联开路枝节。
优选地，所述T型阻抗匹配网络还包括第三微带线，所述第三微带线为串联开路微带线，第三微带线上设置有偏置线焊盘
优选地，所述第二微带线为馈电微带线；第二枝节为并联开路枝节。
优选地，所述辐射贴片层还包括第一缝隙，所述第一缝隙为馈电探针与辐射贴片层地板间的缝隙。
优选地，所述辐射贴片层还包括第二缝隙，所述第二缝隙为连接探针与辐射贴片层地板间的缝隙。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明为对称结构，能够用于实现二维方向图扫描；
2、本发明针中辐射贴片和变容二极管位于上下两层，之间由地板隔开，结构上互补影响。并且辐射贴片的尺寸较小、剖面低，具有对于阵列天线的设计匹配度高的优点；
3、本发明中方向图扫描天线在7.25GHz-7.35GHz频带范围内同时实现了E面的主波束和零点扫描。在7.3GHz，主波束的扫描角度为-46°～53°，零点的扫描角度为 -105°～54°。在-30°～30°内，天线增益大于6dBi。在整个扫描范围内，最大增益和 3dB波束宽度分别为7.7dBi和102°，最大零点深度为31.46dB，整体性能表现优秀；
4、本发明中辐射贴片、射频微带线都为直流接地，因此整个天线不需要隔直电容，能够有效提高天线的效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的加载变容二极管的方向图扫描贴片天线中辐射贴片层的俯视示意图；
图2为本发明提供的加载变容二极管的方向图扫描贴片天线中辐射贴片层的仰视示意图；
图3为本发明提供的加载变容二极管的方向图扫描贴片天线中半固化片层的俯视示意图；
图4为本发明提供的加载变容二极管的方向图扫描贴片天线中半固化片层的仰视示意图；
图5为本发明提供的加载变容二极管的方向图扫描贴片天线中微带线层的俯视示意图；
图6为本发明提供的加载变容二极管的方向图扫描贴片天线中微带线层的仰视示意图；
图7为本发明提供的加载变容二极管的方向图扫描贴片天线的结构剖面示意图；
图8为本发明提供的加载变容二极管的方向图扫描贴片天线的等效辐射缝隙示意图；
图9为本发明优选例工作在状态1-4时的回波损耗示意图；
图10为本发明优选例工作在状态4-7时的回波损耗示意图；
图11为本发明优选例工作在状态1-4时E面增益方向示意图；
图12为本发明优选例工作在状态4-7时E面增益方向示意图；
图中示出：
辐射贴片层1 半固化片层2 微带线层3
贴片4 馈电探针5 短路探针6
连接探针7 第一缝隙8 第二缝隙9
第一微带线10 第一变容二极管11 第一枝节12
第三微带线13 偏置线焊盘14 第二微带线15
第二变容二极管16 第二枝节17 辐射贴片层地板18
微带线层地板19
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种加载变容二极管的方向图扫描贴片天线，包括辐射贴片层1、半固化片层2以及微带线层3；
所述半固化片层2设置在微带线层3和辐射贴片层1之间。
优选地，所述辐射贴片层1包括贴片4、馈电探针5、短路探针6以及辐射贴片层地板18；所述贴片4设置在辐射贴片层1远离半固化片层2一侧；所述辐射贴片层地板 18设置在辐射贴片层1靠近半固化片层2一侧；馈电探针5设置在贴片4上，贯穿辐射贴片层1和微带线层3；短路探针6设置在贴片4上，贯穿辐射贴片层1和微带线层3。所述微带线层3包括可重构电路、T型阻抗匹配网络以及微带线层地板19；所述可重构电路设置在在微带线层3远离半固化片层2一侧，通过连接探针7与贴片4相连，所述连接探针7贯穿辐射贴片层1和微带线层3；所述T型阻抗匹配网络设置在在微带线层 3远离半固化片层2一侧；所述微带线层地板19设置在微带线层3靠近半固化片层2 一侧。
具体地，所述可重构电路包括第一微带线10、第一变容二极管11以及第一枝节12；所述第一变容二极管11设置在第一微带线10和第一枝节12之间。所述T型阻抗匹配网络包括第二微带线15、第二变容二极管16以及第二枝节17；所述第二变容二极管16 和第二枝节17并联在第二微带线15间。所述第一枝节12为串联开路枝节。所述T型阻抗匹配网络还包括第三微带线13，所述第三微带线13为串联开路微带线，第三微带线13上设置有偏置线焊盘14所述第二微带线15为馈电微带线；第二枝节17为并联开路枝节。所述辐射贴片层1还包括第一缝隙8，所述第一缝隙8为馈电探针5与辐射贴片层地板18间的缝隙。所述辐射贴片层1还包括第二缝隙9，所述第二缝隙9为连接探针7与辐射贴片层地板18间的缝隙。
更具体地，贴片4为正方形贴片。通过改变第一变容二极管11的反偏电压，从而改变贴片4的两个等效辐射缝隙之间的幅度比和相位差，实现天线方向图扫描。改变开路枝节的长度可以调整天线方向图扫描的范围。所述T型阻抗匹配网络包括：1个第二变容二极管16，阻抗分别为Z1,Z2,Z3和Z4的第二微带线15和一段阻抗为Z5的第二枝节 17。第二变容二极管16和第二枝节17并联在微带线Z1和Z2之间，通过改变第二变容二极管16的反偏电压，实现天线在不同扫描角度下输入阻抗匹配。为避免偏置线对天线输入阻抗、扫描角度的影响，在开路直接后串联一段长度为λg并且末端开路的第三微带线13，将偏置线焊盘14放置在λg/2的短路点处，可以最大限度的减小外加偏置线对天线性能的影响。
进一步地，该天线可以实现E面内方向图主波束和零点扫描，贴片4尺寸为 0.645λg×0.645λg，工作频带为7.25GHz-7.35GHz。主波束的扫描角度为-46°～53°，零点的扫描角度为-105°～54°。在-30°～30°内，天线增益大于6dBi。在整个扫描范围内，最大增益和3dB波束宽度分别为7.7dBi和102°，最大零点深度为31.46dB。所述辐射贴片层1，位于天线正面，介质为Arlon AD 250，厚度为1.524mm。贴片4尺寸为16.67mm×16.67mm，辐射贴片层地板18尺寸为40mm×40mm。4个直径为0.4mm 的短路探针6放置在贴片4的对角线上，连接辐射贴片和辐射贴片层地板18，相邻两个短路探针6的的间距为11.67mm。短路探针6可以提高天线的增益和零点深度。所述半固化片层2，介质为Rogers 4450F半固化片，厚度为0.2mm。半固化片用于多层板设计，将辐射贴片层1和微带线层3粘合到一起。所述微带线层3，位于天线背面，介质为Arlon AD 255，厚度为0.762mm。四组可重构电路和一组T型阻抗匹配网络位于微带线层3。每组可重构电路都与贴片4通过直径0.5mm的连接探针7相连。第一变容二极管11型号为MA46H120(电容值变化范围为0.122pF至1.36pF)所述T 型阻抗匹配网络，用于将天线在不同扫描状态下的输入阻抗匹配到50ohm。所述方向图扫描天线，共有5个变容二极管，变容二极管都串联有一段长度为λg的开路线。
更进一步地，贴片4由直径为0.5mm的馈电探针5馈电，第一缝隙8的间距为0.33mm。串联开路直接的长度为4.54mm，宽度为0.664mm，用于调整方向图扫描的范围。可重构电路通过直径为0.5mm的连接探针7与贴片4相连，第二缝隙9的间距为 0.43mm。第二枝节17的长度为3mm，宽度3mm。第一微带线10 长度为λg。
本发明的工作原理如下：
如图8所示，其为本发明实施例的等效辐射缝隙。根据微带天线的传输线模型，本发明实施例可等效为两个辐射缝隙
Figure BDA0001845736820000061
和
Figure BDA0001845736820000062
最终的辐射方向图为两个等效辐射缝隙辐射方向图的叠加。当变容二极管的电容值发生改变时，可重构电路的输入阻抗就会发生变化。根据传输线原理，两个等效辐射缝隙之间的幅度比和相位差会发生改变，再由阵列天线的工作原理，可知最终实现方向图扫描。具体工作时，每个探针7都连接微带线层的一个变容二极管，分别为c1，c2，c3和c4，在不同状态时电容值分别为：
(1)状态1：c1＝c3＝0.122pF，c2＝c4＝1.36pF，
(2)状态2：c1＝c3＝0.122pF，c2＝c4＝0.33pF，
(3)状态3：c1＝c3＝0.122pF，c2＝c4＝0.192pF，
(4)状态4：c1＝c3＝0.122pF，c2＝c4＝0.122pF，
(5)状态5：c1＝c3＝0.192pF，c2＝c4＝0.122pF，
(6)状态6：c1＝c3＝0.33pF，c2＝c4＝0.122pF，
(7)状态7：c1＝c3＝1.36pF，c2＝c4＝0.122pF。
通过改变变容二极管的偏置电压，可以改变对应的电容值，以实现方向图扫描。天线工作在不同状态时，对应的输入阻抗不同，通过T型阻抗匹配网络可将不同状态下的输入阻抗匹配至50ohm。
如图9和图10所示是本实施例仿真得到的回波损耗图。从图中可以看出，不同状态对应共同的工作频带为7.25GHz-7.35GHz，回波损耗基本小于-10dB。
如图11和图12所示是本实施例仿真得到的在7.3GHz不同状态下的E面增益方向图。从图中可以看出，主波束的扫描角度为-46°～53°，零点的扫描角度为-105°～54°。在-30°～30°内，天线增益大于6dBi。在整个扫描范围内，最大增益和3dB波束宽度分别为7.7dBi和102°，最大零点深度为31.46dB。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种加载变容二极管的方向图扫描贴片天线，其特征在于，包括辐射贴片层(1)、半固化片层(2)以及微带线层(3)；
所述半固化片层(2)设置在微带线层(3)和辐射贴片层(1)之间；
所述辐射贴片层(1)包括贴片(4)、馈电探针(5)、短路探针(6)以及辐射贴片层地板(18)；
所述贴片(4)设置在辐射贴片层(1)远离半固化片层(2)一侧；
所述辐射贴片层地板(18)设置在辐射贴片层(1)靠近半固化片层(2)一侧；
馈电探针(5)设置在贴片(4)上，贯穿辐射贴片层(1)和微带线层(3)；
短路探针(6)设置在贴片(4)上，贯穿辐射贴片层(1)和微带线层(3)；
所述微带线层(3)包括可重构电路、T型阻抗匹配网络以及微带线层地板(19)；
所述可重构电路设置在在微带线层(3)远离半固化片层(2)一侧，通过连接探针(7)与贴片(4)相连，所述连接探针(7)贯穿辐射贴片层(1)和微带线层(3)；
所述T型阻抗匹配网络设置在在微带线层(3)远离半固化片层(2)一侧；
所述微带线层地板(19)设置在微带线层(3)靠近半固化片层(2)一侧；
所述可重构电路包括第一微带线(10)、第一变容二极管(11)以及第一枝节(12)；所述第一变容二极管(11)设置在第一微带线(10)和第一枝节(12)之间；
所述T型阻抗匹配网络包括第二微带线(15)、第二变容二极管(16)以及第二枝节(17)；所述第二变容二极管(16)和第二枝节(17)并联在第二微带线(15)间；
所述辐射贴片层(1)还包括第一缝隙(8)，所述第一缝隙(8)为馈电探针(5)与辐射贴片层地板(18)间的缝隙；
所述辐射贴片层(1)还包括第二缝隙(9)，所述第二缝隙(9)为连接探针(7)与辐射贴片层地板(18)间的缝隙。
2.根据权利要求1所述的加载变容二极管的方向图扫描贴片天线，其特征在于，所述第一枝节(12)为串联开路枝节。
3.根据权利要求1所述的加载变容二极管的方向图扫描贴片天线，其特征在于，所述T型阻抗匹配网络还包括第三微带线(13)，所述第三微带线(13)为串联开路微带线，第三微带线(13)上设置有偏置线焊盘(14)。
4.根据权利要求1所述的加载变容二极管的方向图扫描贴片天线，其特征在于，所述第二微带线(15)为馈电微带线；第二枝节(17)为并联开路枝节。
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