CN110364810B - 一种三维复合可重构介质谐振天线 - Google Patents

一种三维复合可重构介质谐振天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种三维复合可重构介质谐振天线，属于无线电通信领域，特别是涉及一种三维复合可重构介质谐振天线。解决了现有介质谐振天线无法实现方向图、极化和频率三个维度可重构的问题。它包括介质谐振器、寄生单元、地板、馈电端口和开关，所述介质谐振器轴心设置有探针，所述馈电端口内芯与探针相连，所述寄生单元位于介质谐振器上表面，所述寄生单元包括一级寄生单元和二级寄生单元，所述一级寄生单元沿介质谐振器中心正交分布，所述二级寄生单元与介质谐振器同心布置。它主要用于提高无线通信系统性能。

Description

一种三维复合可重构介质谐振天线
技术领域
本发明属于无线电通信领域，特别是涉及一种三维复合可重构介质谐振天线。
背景技术
自1983年首次提出介质谐振天线以来，介质谐振天线因其具有尺寸小、重量轻、损耗低、效率高和易激励等性能优势，受到天线领域学者的广泛关注。目前，已有关于介质谐振天线展宽频带、实现圆极化、阵列等大量研究成果。与介质谐振天线同年被提出的可重构天线可通过机械、射频开关等控制方式实现天线工作频率、极化和辐射方向图三个维度特性参数当中的一个或多个维度可重构，在无线通信领域具有重要的意义。结合二者优势提出的可重构介质谐振天线的研究正处于萌芽阶段，目前为数不多的可重构介质谐振天线研究成果大多集中在频率可重构，近三年来，已有方向图、极化单个维度可重构的介质谐振天线在期刊上陆续发表，但未见提出具有方向图、极化和频率三个维度的复合可重构介质谐振天线。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种三维复合可重构介质谐振天线。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种三维复合可重构介质谐振天线，它包括介质谐振器、寄生单元、地板、馈电端口和开关，所述介质谐振器为圆柱形，所述地板为圆形，半径与介质谐振器相同，所述地板与介质谐振器相连，所述介质谐振器轴心设置有探针，所述馈电端口内芯与探针相连，所述寄生单元位于介质谐振器上表面，所述寄生单元包括一级寄生单元和二级寄生单元，所述开关数量为多个，分别为第一开关D1到第十二开关D12，所述一级寄生单元沿介质谐振器中心正交分布，分为四段矩形结构，每段矩形结构分别通过第一开关D1到第四开关D4控制与探针相连，所述二级寄生单元与介质谐振器同心布置，分为八段圆弧形结构，每段圆弧形结构分别通过第五开关D5到第十二开关D12控制与一级寄生单元相连。
更进一步的，所述开关为射频开关。
更进一步的，所述寄生单元为金属带条。
更进一步的，所述介质谐振器的半径Rd为25mm，厚度Hd为4.25mm。
更进一步的，所述一级寄生单元的宽度Ws为1.2mm，一级寄生单元的长度Ls为11mm。
更进一步的，所述二级寄生单元的圆弧半径Rr与一级寄生单元的长度Ls相同，所述二级寄生单元中相邻圆弧结构的间距g为1.2mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有介质谐振天线无法实现方向图、极化和频率三个维度可重构的问题。寄生单元不仅起到引向器或反射器的作用，同时会因互阻抗的改变对天线馈电端口的阻抗特性带来影响。此外，也会因改变电流分布，引导电磁场以一定的方向旋转，产生相应的极化特性，本申请是在中心探针激励的圆柱形介质谐振器上引入寄生单元以及相应的开关，使本来只具有特定频率下线极化的全向辐射介质谐振天线能够实现方向图、频率、极化特性的重构。正交分布的一级寄生单元通过第一开关D1到第四开关D4的控制，可实现全向辐射与沿不同寄生单元定向辐射的方向图可重构性能，在此基础上，同心设置的二级寄生单元，通过第五开关D5到第十二开关D12控制二级寄生单元是否与一级寄生单元导通，当开关D5、D7、D9、D11均导通即二级寄生单元与一级寄生单元相连且所有一级寄生单元与探针相连时，寄生单元上的电流呈顺时针流向，进而与介质谐振器的场发生强烈的耦关合作用，通过近远场变换，形成远区辐射场左旋圆极化的形成；同样的，当开关D6、D8、D10、D12均导通时，会使介质谐振天线在此状态具有右旋圆极化的辐射特性。
附图说明
图1为本发明所述的一种三维复合可重构介质谐振天线俯视结构示意图
图2为本发明所述的一种三维复合可重构介质谐振天线侧视结构示意图
图3为本发明所述的可重构介质谐振天线不同结构与有效模式的对应关系图
图4为本发明所述的可重构介质谐振天线不同结构下的反射系数图
图5为本发明所述的可重构介质谐振天线不同模式下的三维辐射方向图
图6为本发明所述的可重构介质谐振天线不同模式下的增益图
图7为本发明所述的一级寄生单元不同长度时圆极化模式反射系数图
图8为本发明所述的一级寄生单元不同长度时圆极化模式轴比图
1-介质谐振器，2-一级寄生单元，3-二级寄生单元，4-地板，5-馈电端口，6-探针
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-8说明本实施方式，一种三维复合可重构介质谐振天线，它包括介质谐振器1、寄生单元、地板4、馈电端口5和开关，所述介质谐振器1为圆柱形，所述地板4为圆形，半径与介质谐振器1相同，所述地板4与介质谐振器1相连，所述介质谐振器1轴心设置有探针6，所述馈电端口5内芯与探针6相连，所述寄生单元位于介质谐振器1上表面，所述寄生单元包括一级寄生单元2和二级寄生单元3，所述开关数量为多个，分别为第一开关D1到第十二开关D12，所述一级寄生单元沿介质谐振器1中心正交分布，分为四段矩形结构，每段矩形结构分别通过第一开关D1到第四开关D4控制与探针6相连，所述二级寄生单元3与介质谐振器1同心布置，分为八段圆弧形结构，每段圆弧形结构分别通过第五开关D5到第十二开关D12控制与一级寄生单元相连。
本实施例中一级寄生单元2和二级寄生单元3不仅起到引向器或反射器的作用，同时会因互阻抗的改变对天线输入端口的阻抗特性带来影响，此外，也会因改变电流分布，引导电磁场以一定的方向旋转，产生相应的极化特性，本申请是在中心探针激励的圆柱形介质谐振器1上引入寄生单元以及相应的开关，使本来只具有特定频率下线极化的全向辐射介质谐振天线能够实现方向图、频率、极化特性的重构，正交分布的一级寄生单元2通过第一开关D1到第四开关D4控制其是否与探针相连，可实现全向辐射与沿不同寄生单元定向辐射的方向图可重构性能，在此基础上，引入同心设置的二级寄生单元3，通过第五开关D5到第十二开关D12控制二级寄生单元是否与一级寄生单元导通，当没有二级寄生单元4被导通时，其对介质谐振天线1的基本性能影响不大，天线可发挥波束切换和全向辐射的性能；当所有二级寄生单元3均与相应的一级寄生单元2相连时，并未改变电场关于中心的对称分布，只是相当于在一定程度上增加了一级寄生单元2的有效长度；当第五开关D5、第七开关D7、第九开关D9和第十一开关D11均导通即二级寄生单元3与一级寄生单元2相连，且所有一级寄生单元2与探针相连时，在一级寄生单元2和二级寄生单元3上的电流呈顺时针流向，进而与介质谐振器1的场发生强烈的耦关合作用，通过近远场变换，形成远区辐射场左旋圆极化，同样的，当第六开关D6、第八开关D8、第十开关D10和第十二开关D12均导通时，会使介质谐振天线在此状态具有右旋圆极化的辐射特性。以此实现介质谐振天线方向图、极化和频率三个维度的可重构特性。
本实施例所述开关为射频开关，所述寄生单元为金属带条，通过开关的控制可形成不同结构形式，图3所示为不同结构与有效模式的对应关系，同开关导通组合对应的结构下天线的反射系数随频率变化的性能曲线如图4所示，从图中可以看出，图3中d结构对应的天线状态在所观测频率范围内均没有良好的阻抗匹配，因此不能作为有效的状态；图3中的a和b结构，由于不同状态的等效寄生单元长度不一样，因此谐振频率不同；图3中的a和g结构，对应等效长度相同的情况，谐振频点相近，但由于结构的差别致使其谐振深度和阻抗带宽不同；从图4中的e结构对应的反射系数曲线可以看出，其在由激励谐振对应的第一谐振点反射系数高于-10dB，说明相应参数值对应的此状态未能实现此频段的良好阻抗匹配。由于寄生单元结构上对称的天线具有一致的阻抗性能，图4只是列出了具有不同阻抗特性的状态。对于图4中a结构的反射系数曲线也对应着二级寄生单元3逆时针导通的状态。对于图4中e、f、g结构的反射系数曲线，分别另有三个其他方向的一级寄生单元2导通的状态与之具有相同的阻抗特性。如图5所示为不同状态下天线在相应的有效工作频带内5.73GHz、4.48GHz、5.08GHz、7.06GHz、4.52GHz和5.61GHz频点处的三维辐射方向图，由图可以看出，驱动的寄生单元呈关于中心对称分布时，即Mode I、Mode II和Mode III，天线的场分布也对称分布，相应的辐射方向图为与xoy面平行的平面内全向辐射。当只有y轴正方向的寄生单元被驱动时，即Mode IV、Mode V和Mode VI，相应的辐射方向图为不同指向的定向辐射。如图6所示全向模式下，天线的增益在2dBi(C)左右；定向模式下，天线的增益大多在6dBi左右。此外，由寄生单元主导的模式下Mode IV增益随频率变化的较显著。接下来着重分析Mode I的圆极化性能。Mode I对应着两种状态，一级寄生单元2的长度Ls变化对圆极化模式反射系数和轴比的影响如图7-8所示。从图中可以看出，一级寄生单元2的长度Ls对圆极化的阻抗匹配的轴比性能均有较大影响。此外，二级寄生单元3的长度Ls对圆极化的性能也有一定作用。因此，在确定具体的参数时综合考虑多个性能的优化结果。
本实施例寄生单元的数量可以扩展、形状可作出相应改变，介质谐振器1的介电常数根据需求进行设置，天线可应用于其他频段中，对天线的尺寸进行优化，所述介质谐振器1的半径Rd为25mm，厚度Hd为4.25mm，所述一级寄生单元2的宽度Ws为1.2mm，一级寄生单元2的长度Ls为11mm，所述二级寄生单元的圆弧半径Rr与一级寄生单元的长度Ls相同，所述二级寄生单元3中相邻圆弧结构的间距g为1.2mm。
以上对本发明所提供的一种三维复合可重构介质谐振天线，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种三维复合可重构介质谐振天线，其特征在于：它包括介质谐振器(1)、寄生单元、地板(4)、馈电端口(5)和开关，所述介质谐振器(1)为圆柱形，所述地板(4)为圆形，半径与介质谐振器(1)相同，所述地板(4)与介质谐振器(1)相连，所述介质谐振器(1)轴心设置有探针(6)，所述馈电端口(5)内芯与探针(6)相连，所述寄生单元位于介质谐振器(1)上表面，所述寄生单元包括一级寄生单元(2)和二级寄生单元(3)，所述开关数量为多个，分别为第一开关D1到第十二开关D12，所述一级寄生单元沿介质谐振器(1)中心正交分布，分为四段矩形结构，每段矩形结构分别通过第一开关D1到第四开关D4控制与探针(6)相连，所述二级寄生单元(3)与介质谐振器(1)同心布置，分为八段圆弧形结构，每段圆弧形结构分别通过第五开关D5到第十二开关D12控制与一级寄生单元相连，所述二级寄生单元(3)的圆弧半径Rr与一级寄生单元(2)的长度Ls相同，所述二级寄生单元(3)中相邻圆弧结构的间距g为1.2mm。
2.根据权利要求1所述的一种三维复合可重构介质谐振天线，其特征在于：所述开关为射频开关。
3.根据权利要求1所述的一种三维复合可重构介质谐振天线，其特征在于：所述寄生单元为金属带条。
4.根据权利要求1所述的一种三维复合可重构介质谐振天线，其特征在于：所述介质谐振器(1)的半径Rd为25mm，厚度Hd为4.25mm。
5.根据权利要求4所述的一种三维复合可重构介质谐振天线，其特征在于：所述一级寄生单元(2)的宽度Ws为1.2mm，一级寄生单元(2)的长度Ls为11mm。
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