CN110350302B - 一种低交叉极化的全极化可重构天线及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低交叉极化的全极化可重构天线及其控制方法，所述天线包括：介质基板、设置在所述介质基板正面的辐射贴片、设置在所述辐射贴片上的四个激励单元、设置在所述介质基板背面的四个功分器、与所述功分器的输出端口连接的集总电容器、设置在所述介质基板侧面并与所述功分器的输入端口连接的馈电点；所述四个激励单元分别位于所述辐射贴片的四条边的边缘，并依次穿过所述辐射贴片和所述介质基板，且通过所述集总电容器与相应的所述功分器连接。利用了不同的馈电组合状态，以激励辐射贴片的不同辐射模式，可分别实现天线的四种不同极化工作模式，具有可操作性强，全极化可重构、低交叉极化的特点，可极大提高无线通信系统的容量和性能。

Description

一种低交叉极化的全极化可重构天线及其控制方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及的是一种低交叉极化的全极化可重构天线及其控制方法。
背景技术
随着科技的飞速发展，无线通信技术在人们的生产生活中发挥着越来越重要的作用，人们对无线通信产品功能的要求也越来越高。天线作为无线通信系统的必要组成部分，伴随着高速率、多功能、低成本和轻重量等要求，其设计面临巨大的挑战。当前，为提高无线通信系统的传输速率，采用频率复用技术提高频谱利用率，进而实现高速率传输是一种既实用又经济的方法。极化复用是频率复用技术的核心手段之一。现有技术的极化可重构天线中，小型化天线的交叉极化比只有-20dB，交叉极化性能一般。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种低交叉极化的全极化可重构天线及其控制方法，旨在解决现有技术中极化可重构天线交叉极化性能较差的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种低交叉极化的全极化可重构天线，其中，包括：介质基板、设置在所述介质基板正面的辐射贴片、设置在所述辐射贴片上的四个激励单元、设置在所述介质基板背面的四个功分器、与所述功分器的输出端口连接的集总电容器、设置在所述介质基板侧面并与所述功分器的输入端口连接的馈电点；所述四个激励单元分别位于所述辐射贴片的四条边的边缘，并依次穿过所述辐射贴片和所述介质基板，且通过所述集总电容器与相应的所述功分器连接。
所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其中，所述功分器为一分二威尔金森功分器，并包括：与所述馈电点连接的主路线、与所述主路线连接的第一分路线和第二分路线；所述第一分路线的输出端口和第二分路线的输出端口分别连接有所述集总电容器，所述第一分路线上设置有半波长相位延迟线，所述半波长相位延迟线用于使所述第一分路线的输出端口和第二分路线的输出端口的输出相位相差180°。
所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其中，所述第一分路线包括：与所述主路线连接的第一段、与所述第一段连接的第二段；所述第二分路线包括：与所述主路线连接的第三段、与所述第三段连接的第四段；所述第一段和所述第三段形成具有缺口的矩形结构，所述缺口处设置有隔离电阻。
所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其中，所述激励单元包括：与所述第一分路线的输出端口连接的第一金属半环、与所述第二分路线的输出端口连接的第二金属半环。
所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其中，所述介质基板相对两条边上的馈电点对称设置。
所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其中，所述的低交叉极化的全极化可重构天线的工作频段为2.38GHz-2.49GHz频段。
所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其中，所述激励单元垂直设置在所述辐射贴片上，所述辐射贴片相对两条边上的所述激励单元对称设置。
所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其特征在于，所述介质基板的介电常数为4-5。
一种如上述任意一项所述的低交叉极化的全极化可重构天线的控制方法，其中，包括以下步骤：
将介质基板相对两条边上的馈电点采用相同的第一幅度、相同的第一相位激励，其余馈电点采用相同的第一幅度、相同的第二相位激励，第一相位和第二相位相差90°。
所述的低交叉极化的全极化可重构天线的控制方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
将介质基板相对两条边上的馈电点采用等幅度等相位激励，其余馈电点不激励。
有益效果：本发明利用了不同的馈电组合状态，以激励辐射贴片的不同辐射模式，可分别实现天线的四种不同极化工作模式（水平极化，垂直极化，左旋圆极化和右旋圆极化）。而且通过控制四个馈电点的馈电状态实现，易于操作。本发明具有可操作性强，全极化可重构、低交叉极化的特点，可以极大提高无线通信系统的容量和性能。
附图说明
图1是本发明的天线第一结构示意图。
图2是本发明的天线第二结构示意图。
图3是本发明的天线四端口S参数曲线图。
图4A是本发明工作在2.4 GHz水平极化模式时在xoz平面上的方向图。
图4B是本发明工作在2.4 GHz水平极化模式时在yoz平面上的方向图。
图5A是本发明工作在2.4 GHz垂直极化模式时在xoz平面上的方向图。
图5B是本发明工作在2.4 GHz垂直极化模式时在yoz平面上的方向图。
图6A是本发明工作在2.4 GHz左旋圆极化极化模式时在xoz平面上的方向图。
图6B是本发明工作在2.4 GHz左旋圆极化极化模式时在yoz平面上的方向图。
图7A是本发明工作在2.4 GHz右旋圆极化极化模式时在xoz平面上的方向图。
图7B是本发明工作在2.4 GHz右旋圆极化极化模式时在yoz平面上的方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1-图7B，本发明提供了一种低交叉极化的全极化可重构天线的一些实施例。通常，工程应用上天线交叉极化性能一般要求小于-15dB，这是正常的标准，也就是说，本发明中的低交叉极化是指交叉极化性能小于-25dB。
如图1-图2所示，本发明的一种低交叉极化的全极化可重构天线，包括：介质基板10、设置在所述介质基板10正面的辐射贴片20、设置在所述辐射贴片20上的四个激励单元（30a、30b、30c、30d）、设置在所述介质基板10背面的四个功分器（40a、40b、40c、40d）、与所述功分器的输出端口连接的集总电容器50、设置在所述介质基板10侧面并与所述功分器的输入端口连接的馈电点（60a、60b、60c、60d）；所述四个激励单元分别位于所述辐射贴片20的四条边的边缘，并依次穿过所述辐射贴片20和所述介质基板10，且通过所述集总电容器50与相应的所述功分器连接。
具体地，介质基板10是绝缘介质基板10，介质基板10厚度为0.6 mm，材质为FR-4，介电常数为4-5，优选地，介电常数为4.4。集总电容器50的容值为0.2 pF。所述天线为单层印刷电路板结构，结构简单，加工难度小，结构剖面低，天线尺寸小；天线的主辐射结构为方形金属贴片，无额外的金属地板，天线双向辐射，增加了天线的辐射覆盖率。
值得说明的是，激励单元有四个，相应地，功分器、集总电容器50、馈电点也都有四个，分别位于低交叉极化的全极化可重构天线（简称天线）的四个方向上。辐射贴片20为方形，激励单元及其对应的功分器分别位于方形辐射贴片20的四条边上，通常位于相对两侧的激励单元同步控制，因此，将相对两侧的激励单元称为一对激励单元，则四个激励单元有两对激励单元，分别位于水平位置和垂直位置上，也就是说可分别称为水平激励单元对和垂直激励单元对，相应地，形成水平馈电点对和垂直馈电点对。天线的极化方式由激励单元的馈电组合状态决定，天线采用如下两种方法进行控制：
方式一、将介质基板10相对两条边上的馈电点采用等幅度等相位激励，其余馈电点不激励。
激励单元采用平衡式电感激励单元，仅激励水平馈电点对或者垂直馈电点对时，可相应形成水平极化或者垂直极化。通过等幅度等相位激励相对的两个平衡式电感激励单元，可以完全激励主辐射贴片20的水平（垂直）电流模式，即主模式。通过调节平衡式电感激励单元的尺寸和位置可以激励部分垂直（水平）电流模式——正交模式。由于部分正交模式的引入，主模式的交叉极化辐射分量可以被正交模式的主极化辐射分量完全抵消，形成高纯度的水平（垂直）极化辐射。
方式二、将介质基板10相对两条边上的馈电点采用相同的第一幅度、相同的第一相位激励，其余馈电点采用相同的第一幅度、相同的第二相位激励，第一相位和第二相位相差90°。
通过在上述两种高纯度极化分量间引入90°相位差，可以分别实现低交叉极化的左旋圆极化或右旋圆极化辐射。最终实现低交叉极化的全极化可重构天线。
具体地，如图2所示的xyz坐标中，如图1所示的xy坐标中，四个馈电点分别为第一馈电点60a、第二馈电点60b、第三馈电点60c以及第四馈电点60d；相应地，四个功分器分别为：第一功分器40a、第二功分器40b、第三功分器40c以及第四功分器40d，四个激励单元分别为第一激励单元30a、第二激励单元30b、第三激励单元30c以及第四激励单元30d。所述介质基板10相对两条边上的馈电点对称设置，第一馈电点60a和第二馈电点60b对称设置，第三馈电点60c和第四馈电点60d对称设置，相应地，第一功分器40a和第二功分器40b对称设置，第三功分器40c和第四功分器40d对称设置，第一激励单元30a和第二激励单元30b对称设置，第三激励单元30c和第四激励单元30d对称设置。如图3所示，天线4个端口的S参数曲线图基本一致。第一馈电点60a和第三馈电点60c位于靠近直角的位置，第二馈电点60b和第四馈电点60d位于靠近两个对角上。
当第一馈电点60a和第二馈电点60b等幅度等相位激励，第三馈电点60c和第四馈电点60d不激励时，天线的极化方式为垂直极化。当第一馈电点60a和第二馈电点60b不激励，第三馈电点60c和第四馈电点60d等幅度等相位激励时，天线的极化方式为水平极化。当第一馈电点60a、第二馈电点60b、第三馈电点60c和第四馈电点60d激励幅度相等，第一馈电点60a和第二馈电点60b的激励相位领先第三馈电点60c和第四馈电点60d激励相位90°时，天线的极化方式为右旋圆极化。当第一馈电点60a、第二馈电点60b、第三馈电点60c和第四馈电点60d激励幅度相等，第一馈电点60a和第二馈电点60b的激励相位落后第三馈电点60c和第四馈电点60d激励相位90°时，天线的极化方式为左旋圆极化。
本发明通过控制四个馈电点的激励状态，可以实现不同的极化模式，包括：水平极化、垂直极化、左旋圆极化和右旋圆极化。具体对应关系如表一所示：
表一：激励状态与对应的极化方式
Figure 838314DEST_PATH_IMAGE002
图4A和图4B，图5A和图5B，图6A和图6B，图7A和图7B分别展示了天线工作在2.4GHz时，在四种不同极化状态下两个主平面（xoz面和yoz面）的方向图。图4A和图4B为水平极化状态下的方向图，其θ=0°方向上交叉极化比小于-55dB；图5A和图5B为垂直极化状态下的方向图，其θ=0°方向上交叉极化比小于-55dB；图6A和图6B为左旋圆极化状态下的方向图，其θ=0°方向上交叉极化比小于-50dB；图7A和图7B为右旋圆极化状态下的方向图，在θ = 0°方向上交叉极化比小于-50dB。
在相同的频率范围内，利用极化相互正交的两个电磁波同时传输两路独立的信号，如使用水平线极化波和垂直线极化波、左旋圆极化波和右旋圆极化波等，可以极大地提高频谱利用率，提升无线通信系统容量和传输速率。本发明巧妙利用了不同的馈电组合状态，以激励辐射贴片20的不同辐射模式，可分别实现天线的四种不同极化工作模式（水平极化，垂直极化，左旋圆极化和右旋圆极化）。而且通过控制四个馈电点的馈电状态实现，易于操作。本发明具有可操作性强，全极化可重构、低交叉极化的特点，可以极大提高无线通信系统的容量和性能。
此外，通过调节集总电容器50的容值抵消低交叉极化的全极化可重构天线输入阻抗的虚部值。所述天线可以通过调节集总电容器50的容值来抵消天线输入阻抗的虚部值，改善天线的性能。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1-图2所示，所述功分器为一分二威尔金森功分器，并包括：与所述馈电点连接的主路线41、与所述主路线41连接的第一分路线43和第二分路线42；所述第一分路线43的输出端口和第二分路线42的输出端口分别连接有所述集总电容器50，所述第一分路线43上设置有半波长相位延迟线45，所述半波长相位延迟线45用于使所述第一分路线43的输出端口和第二分路线42的输出端口的输出相位相差180°，以满足激励单元的馈电要求。
具体地，每个平衡式电感激励单元与一分二威尔金森功分器通过两个集总电容器50相连，使天线达到阻抗匹配。第一分路线43接有一段半波长相位延迟线45，用于实现两个分路线的输出端口的180°输出信号相位差，以满足平衡式电感激励单元的馈电要求。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1-图2所示，所述第一分路线43包括：与所述主路线41连接的第一段431、与所述第一段431连接的第二段432；所述第二分路线42包括：与所述主路线41连接的第三段421、与所述第三段421连接的第四段422；所述第一段431和所述第三段421形成具有缺口的矩形结构，所述缺口处设置有隔离电阻。具体地，半波长相位延迟线45位于第二段432上。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1-图2所示，所述激励单元包括：与所述第一分路线43的输出端口连接的第一金属半环、与所述第二分路线42的输出端口连接的第二金属半环。具体地，激励单元采用平衡式电感激励单元，垂直设置在辐射贴片20上。金属半环一端通过焊盘70与集总电容器50连接，另一端与辐射贴片20连接。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1-图2所示，所述的低交叉极化的全极化可重构天线的工作频段为2.38GHz-2.49GHz频段，较佳地，工作频段为2.4GHz频段。具体地，改变辐射贴片20的尺寸可更改天线的工作频率。天线的工作频率只由方形辐射贴片20尺寸决定，提升了天线设计的灵活度；集总电容器50可以调节天线的匹配程度，提供了调节天线性能的额外方式。本实施例中，辐射贴片20的长宽均为65mm。
本发明还提供了一种如上述任意一实施例所述的低交叉极化的全极化可重构天线的控制方法的较佳实施例：
本发明实施例所述一种低交叉极化的全极化可重构天线的控制方法，包括以下步骤：
步骤S100、将介质基板10相对两条边上的馈电点采用相同的第一幅度、相同的第一相位激励，其余馈电点采用相同的第一幅度、相同的第二相位激励，第一相位和第二相位相差90°，具体如上所述。
步骤S200、将介质基板10相对两条边上的馈电点采用等幅度等相位激励，其余馈电点不激励，具体如上所述。
综上所述，本发明所提供的一种低交叉极化的全极化可重构天线及其控制方法，所述天线包括：介质基板、设置在所述介质基板正面的辐射贴片、设置在所述辐射贴片上的四个激励单元、设置在所述介质基板背面的四个功分器、与所述功分器的输出端口连接的集总电容器、设置在所述介质基板侧面并与所述功分器的输入端口连接的馈电点；所述四个激励单元分别位于所述辐射贴片的四条边的边缘，并依次穿过所述辐射贴片和所述介质基板，且通过所述集总电容器与相应的所述功分器连接。本发明利用了不同的馈电组合状态，以激励辐射贴片的不同辐射模式，可分别实现天线的四种不同极化工作模式（水平极化，垂直极化，左旋圆极化和右旋圆极化）。而且通过控制四个馈电点的馈电状态实现，易于操作。本发明具有可操作性强，全极化可重构、低交叉极化的特点，可以极大提高无线通信系统的容量和性能。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种低交叉极化的全极化可重构天线，其特征在于，包括：介质基板、设置在所述介质基板正面的辐射贴片、设置在所述辐射贴片上的四个激励单元、设置在所述介质基板背面的四个功分器、与所述功分器的输出端口连接的集总电容器、设置在所述介质基板侧面并与所述功分器的输入端口连接的馈电点；所述四个激励单元分别位于所述辐射贴片的四条边的边缘，并依次穿过所述辐射贴片和所述介质基板，且通过所述集总电容器与相应的所述功分器连接；所述功分器为一分二威尔金森功分器，并包括：与所述馈电点连接的主路线、与所述主路线连接的第一分路线和第二分路线；所述第一分路线的输出端口和第二分路线的输出端口分别连接有所述集总电容器，所述第一分路线上设置有半波长相位延迟线，所述半波长相位延迟线用于使所述第一分路线的输出端口和第二分路线的输出端口的输出相位相差180°；所述激励单元包括：与所述第一分路线的输出端口连接的第一金属半环、与所述第二分路线的输出端口连接的第二金属半环；所述四个激励单元的馈电组合状态包括：所述介质基板相对两条边上的馈电点采用等幅度等相位激励，其余馈电点不激励；或者所述介质基板相对两条边上的馈电点采用相同的第一幅度及相同的第一相位激励，其余馈电点采用相同的第一幅度及相同的第二相位激励，所述第一相位和所述第二相位相差90°；所述激励单元为平衡式电感激励单元；相对两条边上的所述激励单元采用等幅度等相位激励时激励主模式；调节所述激励单元的尺寸和位置激励正交模式，且所述正交模式的主极化辐射分量抵消所述主模式的交叉极化辐射分量，以形成低交叉极化辐射。
2.根据权利要求1所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其特征在于，所述第一分路线包括：与所述主路线连接的第一段、与所述第一段连接的第二段；所述第二分路线包括：与所述主路线连接的第三段、与所述第三段连接的第四段；所述第一段和所述第三段形成具有缺口的矩形结构，所述缺口处设置有隔离电阻。
3.根据权利要求1所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其特征在于，所述介质基板相对两条边上的馈电点对称设置。
4.根据权利要求1所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其特征在于，所述的低交叉极化的全极化可重构天线的工作频段为2.38GHz-2.49GHz频段。
5.根据权利要求1所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其特征在于，所述激励单元垂直设置在所述辐射贴片上，所述辐射贴片相对两条边上的所述激励单元对称设置。
6.根据权利要求1所述的低交叉极化的全极化可重构天线，其特征在于，所述介质基板的介电常数为4-5。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的低交叉极化的全极化可重构天线的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
将介质基板相对两条边上的馈电点采用相同的第一幅度、相同的第一相位激励，其余馈电点采用相同的第一幅度、相同的第二相位激励，第一相位和第二相位相差90°。
8.根据权利要求7所述的低交叉极化的全极化可重构天线的控制方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
将介质基板相对两条边上的馈电点采用等幅度等相位激励，其余馈电点不激励。
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