CN109904605A - 基于混合his的宽带极化可重构天线及高性能天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合HIS的宽带极化可重构天线及高性能天线阵列，属于微波天线技术领域。本发明的结构包括十六个正方形贴片，通过在天线结构的最外部贴片上加载12个金属柱，能够抑制表面波的传播，改善天线的辐射性能。将该天线单元组阵，能够实现高增益、低交叉极化和高分辨率的阵列设计。此外，将该天线单元的馈电耦合结构和辐射结构分别旋转±45°，实现±45°极化，进而利用该天线组阵，通过控制馈电网络，能够实现四种极化可重构的天线。本发明结构简单新颖，组阵方便，能够广泛应用于现代无线通信系统和卫星通信等领域。
Description
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于混合HIS的宽带极化可重构天线及高性能天线阵列。
背景技术
高阻抗表面(High Impedance Surface,HIS)是由D.Sievenpiper在1999年的论文“High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band”中首次提出，也称为电磁带隙(Electromagnetic Band Gap,EBG)结构，由正方形贴片、金属柱、介质基板和地板几部分组成，类似于蘑菇形状，论文分析了HIS的电磁特性。2003年，F.Yang在“Microstrip antennas integrated with electromagnetic band-gap(EBG)structures:A low mutual coupling design for array applications”中将HIS作为理想磁壁(Perfect Magnetic Conductor,PMC)，并在HIS上方加载微带天线，且分析了其性能。然而，带金属柱的HIS对天线的辐射方向图会造成部分恶化，为了减小带金属柱的HIS对天线辐射的影响，同时抑制表面波的传播，降低天线的副瓣电平，混合HIS在2010年的论文“Thickness reduction and performance enhancement of steerable square loopantenna using hybrid high impedance surface”中被H.Nakano提出。总体而言，HIS或混合HIS的作用都相当于PMC，用于降低天线的剖面，改善天线的性能。
基于带金属柱的HIS作为辐射结构是由W.Liu在2014年的论文“Metamaterial-based low-profile broadband mushroom antenna”中首次提出，同时在2015年的论文“Metamaterial-based low-profile broadband aperture-coupled grid-slotted patchantenna”中分析了无金属柱的HIS天线。总体而言，基于HIS的天线具有宽带、低剖面和良好的辐射等优点，但单一的HIS天线在整个工作频段约有3dB的增益波动，同时极化性能单一，不利于在现代的无线通信系统中的应用。
文章“A wideband quad-polarization reconfigurable meta-surfaceantenna”提出了一种加载超表面的极化可调的宽带天线，通过设计馈电网络对贴片天线馈电，实现了四种极化的可调，同时加载了一层超表面结构，实现了20％的工作带宽。然而，天线的辐射结构是普通的贴片天线，在其工作带宽内，增益波动大，且由于馈电网络的结构较大，使得天线的整体结构尺寸变大，同时天线由三层介质板和空气层构成，也增加了天线的剖面和加工复杂度。
文章“Polarization reconfigurable aperture-fed patch antenna andarray”提出了一种±45°极化可调的天线，通过控制位于地板结构上的耦合口径的位置，实现了两种极化性能的重构，其直流偏置网络简单，易于实现，但由于耦合口径的重叠，使得两种极化的交叉极化水平高。
文章“Design of a wideband quad-polarization reconfigurable patchantenna array using a stacked structure”提出了具有四种极化可调的天线，通过设计馈电网络控制四个线极化天线单元，实现了水平极化，垂直极化，左旋圆极化和右旋圆极化四种极化性能，为了增大天线的工作带宽，具有16个矩形贴片的寄生层被加载于天线上方。由于寄生层与天线单元层之间有一定的空气间隔，这使得天线的剖面高度增加，同时也增加了天线加工的复杂度。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于混合HIS的宽带极化可重构天线及高性能天线阵列。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于混合HIS的天线，包括16个正方形辐射贴片1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、H形槽结构17、地板18、12个金属柱19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、第一介质基板31、第二介质基板33和微带线32；16个正方形辐射贴片1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16位于第一介质基板31的上表面，呈4×4等间隔均匀排布；地板18位于第一介质基板31的下表面，外尺寸与第一介质基板31的相同；地板18的中心刻蚀有H形槽结构17，H形槽结构17与地板的外沿平行；12个金属柱19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30穿过第一介质基板31分别与第一正方形辐射贴片～第十二正方形辐射贴片1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和地板18连接；第二介质基板33位于地板18的下表面，第二介质基板33的尺寸与第一介质基板31的相同；微带线32由第二介质基板33的下表面的底部中心向上延伸直至超出H形槽结构17。
更具体的，微带线32为50欧姆微带线。
一种基于混合HIS的天线阵列，以基于混合HIS的天线为天线单元，将天线单元排成一维或二维平面阵列，相邻的单元共用相邻一边的正方形辐射贴片，天线单元采用微带耦合馈电。
一种基于混合HIS天线的+45°或-45°极化天线，以基于混合HIS的天线为基础，以天线的中心为中心将16个正方形辐射贴片、12个金属柱和H形槽结构旋转+45°或-45°。
一种基于混合HIS的极化可重构天线阵列，以基于混合HIS天线的+45°和-45°极化天线为单元组成2*2的阵列，左上和右下为+45°极化天线，右上和左下为-45°极化天线；第二介质基板下表面的微带线由馈电网络代替；
馈电网络包括一分四的威尔金森功分器60、两个90°移相器34、35、五个直流偏置网络36、37、38、39、40、16个PIN二极管41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56；威尔金森功分器60的输入枝节并联有第一直流偏置网络，四个输出枝节分别连接四个环形微带线；第一环形微带线为左下单元天线馈电，其上依次串联有第一PIN二极管41、第二PIN二极管42、第四PIN二极管44和第三PIN二极管43，第二PIN二极管42和第四PIN二极管44之间的微带线并联有第三直流偏置网络38；第二环形微带线为右下单元天线馈电，其上依次串联有第五PIN二极管45、第一90°移相器34、第六PIN二极管46、第八PIN二极管48、第七PIN二极管47，第六PIN二极管46和第八PIN二极管48之间的微带线并联有第二直流偏置网络37；第三环形微带线为右上单元天线馈电，其上依次串联有第九PIN二极管49、第十PIN二极管50、第十二PIN二极管52和第十一PIN二极管51，第十PIN二极管50和第十二PIN二极管52之间的微带线并联有第四直流偏置网络39；第四环形微带线为左上单元天线馈电，其上依次串联有第十三PIN二极管53、第二90°移相器35、第十四PIN二极管54、第十六PIN二极管56和第十五PIN二极管55，第十四PIN二极管54和第十六PIN二极管56之间的微带线并联有第五直流偏置网络40；第一直流偏置网络36为串联的电感和电容；第二直流偏置网络37至第五直流偏置网络40为并联的两个电感。
为了便于加工，在直流偏置网络中的电感和电容两侧串联有短微带线枝节。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的基于混合HIS的天线，通过将辐射贴片分成很多小贴片，并在边缘的小贴片加载带有金属柱的蘑菇型结构，构成混合HIS结构，能够抑制表面波的传播，降低天线的交叉极化，提高天线的辐射增益，且天线结构简单，易于加工和集成；
(2)本发明所述的天线应用于多输入多输出系统，具有宽带、低剖面、低交叉极化、高方向性、高隔离度和稳定的辐射性能等优点；
(3)本发明所述的天线应用于平面二维阵列，能够实现宽带、高增益、高分辨率等性能；
(4)本发明所述的天线通过旋转天线结构和耦合槽，能够实现±45°的双极化性能，进而利用该天线组成阵列实现水平极化、垂直极化，左旋圆极化和右旋圆极化四种极化性能的可重构。相较于现有的极化可重构技术，该方法结构简单，易于实现，且天线具有良好的辐射性能。
附图说明
图1为实施例一所述基于混合HIS的天线的结构示意图，其中(a)俯视图；(b)背视图；(c)侧视图；
图2为实施例一中所述天线结构示意图，其中(a)HIS结构；(b)混合HIS结构；
图3为实施例一中所述天线的电流分布示意图，其中(a)HIS；(b)混合HIS；
图4为实施例一中所述天线的描述参数示意图，其中(a)E面主极化方向图；(b)E面交叉极化方向图；(c)增益随频率的变化；
图5为实施例二中所述天线阵列的结构示意图，其中(a)俯视图；(b)背视图；
图6为实施例二中所述天线阵列的描述参数示意图，其中(a)S参数随频率的变化；(b)5.5GHz辐射方向图；
图7为实施例二中所述天线阵列的阵列辐射方向图；
图8为实施例三中所述天线阵列的(a)阵列天线结构示意图，(b)5.5GHz辐射方向图；
图9为实施例四中所述天线的结构示意图，其中(a)+45°极化，(b)-45°极化；
图10为实施例四中所述天线的电流分布，其中(a)+45°极化，(b)-45°极化；
图11为实施例五所述极化可重构天线阵列的结构示意图，其中(a)俯视图；(b)背视图；
图12为实施例五所述极化可重构天线阵列的电流分布；
图13为实施例五所述极化可重构天线阵列在5.5GHz的辐射方向图，其中(a)左旋圆极化；(b)右旋圆极化；(c)水平极化；(d)垂直极化；
图14为实施例五所述极化可重构天线阵列的轴比和增益随频率的变化，其中(a)左旋圆极化；(b)右旋圆极化；
图15为实施例五所述极化可重构天线阵列的S11和增益随频率的变化，其中(a)水平极化；(b)垂直圆极化。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例一
本实施例提供一种基于混合HIS的天线，其结构示意图如图1所示，
其中，第一层介质基板31和第二层介质基板33都为聚四氟乙烯F4BM，相对介电常数为3.38，损耗正切角为0.0027；第一层介质基板31的厚度为3.17mm，第二层介质基板厚度33为0.813mm。
为了验证混合HIS天线性能的优异性，本发明先对无金属柱的HIS和混合HIS进行性能对比，其结构别如图2(a)和图2(b)所示；地板表面电流分布如图3所示，混合HIS天线能够抑制表面波沿地板表面的传播；如图4可知，混合HIS能够提高增益，同时减小交叉极化分量，而在整个工作频段上，混合HIS的最大增益均高于无金属柱的HIS天线0.5dB。
实施例二
本实施例提供一种基于混合HIS的一维天线阵列，以基于混合HIS的天线为天线单元，将天线单元排成1×2的一维平面阵列，其结构如图5所示，相邻正方形辐射贴片之间的间距为30mm，约为5GHz频点自由空间波长的0.5倍。用电磁仿真软件CST对阵列天线进行仿真分析，其仿真结果如图6所示，天线单元之间的隔离度在工作频段内(|S11|<-10dB)大于20dB，且天线单元能够保持良好的辐射性能，增益大于10dB，交叉极化小于-40dB，同时对两个单元都工作的辐射进行分析，结果如图7所示，辐射增益大于12dB。因此，该天线阵列能够应用于多输入多输出系统。
实施例三
本实施例提供一种基于混合HIS的二维天线阵列，以基于混合HIS的天线为天线单元，将天线单元排成2×4的二维平面阵列，结构如图8(a)所示，相邻正方形辐射贴片之间的间距为30mm，约为5GHz频点自由空间波长的0.5倍。用电磁仿真软件CST对阵列天线进行仿真分析，阵列在5.5GHz频点的结果如图8(b)所示，2×4阵列的辐射增益大于16dB，副瓣电平小于-9dB。在E面3-dB波束宽度为21°。因此，本发明提出的混合HIS天线，能够应用于高增益、高分辨率的天线阵列的设计。
实施例四
本实施例提供一种基于混合HIS天线的45°或-45°极化天线，其结构示意图如图9所示，以基于混合HIS的天线为基础，以天线的中心为中心将16个正方形辐射贴片、12个金属柱和H形槽结构旋转45°或-45°。辐射结构尺寸保持不变，优化H形的耦合馈电槽，能够实现良好的辐射性能，对应的表面电流如图10所示。
实施例五
一种基于混合HIS的极化可重构天线阵列，
本实施例所述天线阵列的四种工作模式的PIN二极管工作状态如下表所示：
水平极化(HLP)模式：直流偏置电路36接电压的正极，371、382、392和401接电压的负极，从而使PIN41、PIN42、PIN47、PIN48、PIN49、PIN50、PIN55、PIN56导通，实现水平极化的工作模式。其|S11|和增益变化如图15(a)所示，天线的工作带宽为5.1-5.9GHz(|S11|＜-10dB)，在工作频段内，增益大于10dB，波动小于2dB，且在5.5GHz频点的辐射方向图如图13(c)所示，副瓣电平小于-9dB，增益大于11dB。
垂直极化(VLP)模式：直流偏置电路36接电压的正极，371、381、391和401接电压的负极，从而使PIN43、PIN44、PIN47、PIN48、PIN51、PIN52、PIN55、PIN56导通，实现垂直极化的工作模式；该模式在5.5GHz频点的辐射方向图如图13(d)所示，副瓣电平小于-9dB，增益大于11dB；|S11|和增益变化如图15(a)所示，天线的工作带宽为5.1-5.9GHz(|S11|＜-10dB)，在工作频段内，增益大于11dB，波动小于1dB。
左旋圆极化(LHCP)模式：直流偏置电路36接电压的正极，372、382、392和402接电压的负极，从而使PIN41、PIN42、PIN45、PIN46、PIN49、PIN50、PIN53、PIN54导通，实现左旋圆极化的工作模式；其|S11|和增益变化如图15(c)所示，天线的轴比带宽为4.8-6.0GHz(AR＜3dB)，在轴比带宽内，增益大于9dB，波动小于3dB，且在5.5GHz频点的辐射方向图如图13(a)所示，副瓣电平小于-9dB，增益大于11dB。
右旋圆极化(RHCP)模式：直流偏置电路36接电压的正极，372、381、391和402接电压的负极，从而使PIN41、PIN42、PIN43、PIN44、PIN51、PIN52、PIN53、PIN54导通，实现右旋圆极化的工作模式。其|S11|和增益变化如图15(c)所示，天线的轴比带宽为4.8-6.0GHz(AR＜3dB)，在轴比带宽内增益大于9.5dB，波动小于3dB，且在5.5GHz频点的辐射方向图如图13(b)所示，副瓣电平小于-9dB，增益大于11dB。
Claims (5)
1.一种基于混合HIS的天线，其特征在于，包括16个正方形辐射贴片(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16)、H形槽结构(17)、地板(18)、12个金属柱(19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30)、第一介质基板(31)、第二介质基板(33)和微带线(32)；16个正方形辐射贴片(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16)位于第一介质基板(31)的上表面，呈4×4等间隔均匀排布；地板(18)位于第一介质基板(31)的下表面，外尺寸与第一介质基板(31)的相同；地板(18)的中心刻蚀有H形槽结构(17)，H形槽结构(17)与地板的外沿平行；12个金属柱(19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30)穿过第一介质基板(31)分别与第一正方形辐射贴片～第十二正方形辐射贴片(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12)和地板(18)连接；第二介质基板(33)位于地板(18)的下表面，第二介质基板(33)的尺寸与第一介质基板(31)的相同；微带线(32)由第二介质基板(33)的下表面的底部中心向上延伸直至超出H形槽结构(17)。
2.根据权利要求1所述的基于混合HIS的天线，其特征在于，微带线(32)为50欧姆微带线。
3.一种基于混合HIS的天线阵列，以权利要求1所述的基于混合HIS的天线为天线单元，将天线单元排成一维或二维平面阵列，相邻的单元共用相邻一边的正方形辐射贴片，天线单元采用微带耦合馈电。
4.一种基于混合HIS天线的+45°或-45°极化天线，以权利要求1所述的基于混合HIS的天线为基础，以天线的中心为中心将16个正方形辐射贴片、12个金属柱和H形槽结构旋转+45°或-45°。
5.一种基于混合HIS的极化可重构天线阵列，以权利要求4所述的基于混合HIS天线的+45°和-45°极化天线为单元组成2*2的阵列，左上和右下为+45°极化天线，右上和左下为-45°极化天线；第二介质基板下表面的微带线由馈电网络代替；
馈电网络包括一分四的威尔金森功分器(60)、两个90°移相器(34、35)、五个直流偏置网络(36、37、38、39、40)、16个PIN二极管(41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56)；威尔金森功分器(60)的输入枝节并联有第一直流偏置网络，四个输出枝节分别连接四个环形微带线；第一环形微带线为左下单元天线馈电，其上依次串联有第一PIN二极管(41)、第二PIN二极管(42)、第四PIN二极管(44)和第三PIN二极管(43)，第二PIN二极管(42)和第四PIN二极管(44)之间的微带线并联有第三直流偏置网络(38)；第二环形微带线为右下单元天线馈电，其上依次串联有第五PIN二极管(45)、第一90°移相器(34)、第六PIN二极管(46)、第八PIN二极管(48)、第七PIN二极管(47)，第六PIN二极管(46)和第八PIN二极管(48)之间的微带线并联有第二直流偏置网络(37)；第三环形微带线为右上单元天线馈电，其上依次串联有第九PIN二极管(49)、第十PIN二极管(50)、第十二PIN二极管(52)和第十一PIN二极管(51)，第十PIN二极管(50)和第十二PIN二极管(52)之间的微带线并联有第四直流偏置网络(39)；第四环形微带线为左上单元天线馈电，其上依次串联有第十三PIN二极管(53)、第二90°移相器(35)、第十四PIN二极管(54)、第十六PIN二极管(56)和第十五PIN二极管(55)，第十四PIN二极管(54)和第十六PIN二极管(56)之间的微带线并联有第五直流偏置网络(40)；第一直流偏置网络(36)为串联的电感和电容；第二直流偏置网络(37)至第五直流偏置网络(40)为并联的两个电感。
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