CN110444881A - 一种宽带全向/定向方向图可重构天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带全向/定向方向图可重构天线，包括辐射单元、馈电单元、馈电金属柱、短路金属柱、短路针、地板、同轴线、支撑柱、介质基板和控制天线工作模式的射频开关二极管；介质基板包括上层介质基板和下层介质基板，辐射单元包括内圆和外圆环，且均加载在上层介质基板的正面，所述地板加载在下层介质基板的背面，馈电单元包括金属圆和短路微带线，馈电单元加载在上层介质基板的背面，短路金属柱放置于内圆与外圆环之间的缝隙，短路针连接馈电单元和辐射单元的外圆环，用馈电金属柱连接地板和馈电单元，所述天线采用耦合馈电。该天线通过控制射频开关二极管的状态，该天线可实现宽带的全向辐射特性和定向辐射特性的重构。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信天线领域，特别涉及一种宽带全向/定向方向图可重构天线。
背景技术
随着科学技术的进步，人们对信息的需求量前所未有地增加，使得通信技术得到突飞猛进地发展。作为通信领域的一个重要分支，无线通信因其摆脱了对物理传输线的依赖，在国防、民生等各个领域得到了广泛应用。而天线是无线电设备的信息出入口，天线性能的优劣直接影响整个无线通信系统的通信质量。
现如今无线通信逐步加速进入多功能、大容量、超宽带时代，现代无线通信系统迅猛的发展直接导致同一平台上的子系统数量越来越多，与此同时天线的数量也相应增加。随着同一平台上天线数量的增加，大体积、高成本、电磁兼容等问题也同步出现。为了解决这些问题，可重构天线被研发出来，它不仅满足无线通信的发展要求，而且结构简单体积小。相比于普通天线，可重构天线可以提高空间自由度以便于提高无线通信系统的系统容量，提高频谱利用率，改善通信系统的传输速率。
目前的可重构天线多是通过动态改变天线辐射体或改变馈电网络的馈电路径两种方法实现可重构。前者将可控射频开关设置于天线辐射体上，后者将可控射频开关设置于馈电结构上。目前大部分方向图可重构天线都是平面定向可重构天线，采用对称的天线结构实现方向图可重构，较少全向/定向可重构天线。现有的全向/定向方向图可重构天线大部分使用了较多的射频开关二极管或带宽较窄等问题，只使用三个射频二极管开关实现宽带的全向/定向方向图可重构的天线较少。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种宽带全向/定向方向图可重构天线。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种宽带全向/定向方向图可重构天线，包括辐射单元、馈电单元、馈电金属柱、短路金属柱、短路针、地板、同轴线、支撑柱、介质基板和控制天线工作模式的三个射频开关二极管；所述介质基板包括上层介质基板和下层介质基板，所述辐射单元包括内圆和与内圆同心的外圆环，辐射单元加载在上层介质基板的正面，所述地板加载在下层介质基板的背面，所述馈电单元包括金属圆和微带线，金属圆与微带线连接，馈电单元加载在上层介质基板的背面，所述馈电单元的微带线和辐射单元的外圆环均与短路针连接，所述上层介质基板通过支撑柱固定在下层介质基板上，馈电金属柱与馈电单元的金属圆连接，所述馈电金属柱放置在上层介质基板和下层介质基板之间；所述同轴线位于下层介质基板的下面，且同轴线的内心连接馈电金属柱，同轴线的外心连接到地板，所述地板位于在下层介质基板的背面，同轴线通过馈电金属柱对馈电单元馈电，馈电单元通过耦合的方式对辐射单元进行馈电；
所述短路金属柱包括第一短路金属柱和第二短路金属柱，两个短路金属柱对称放置于内圆与外圆环之间的缝隙；
所述三个射频开关二极管分别为：第一射频开关二极管、第二射频开关二极管和第三射频开关二极管；第一射频开关二极管加载在内圆与第一短路金属柱之间；第二射频开关二极管加载在内圆与第二短路金属柱之间；第三射频开关二极管加载在馈电单元的短路微带线上。
进一步的，所述辐射单元的内圆半径约约为0.094λ0，其中，λ0是中心频率3.75GHz所对应的自由空间波长。
进一步的，所述辐射单元的外圆环的半径约为0.175λ0；所述内圆与外圆环之间的缝隙距离约为0.048λ0。
进一步的，所述馈电单元的金属圆半径约为0.025λ0,馈电单元的短路微带线宽度约为0.02λ0，长度约为0.156λ0，馈电单元加载在上层介质基板的背面。
进一步的，所述第一短路金属柱和第二短路金属柱分别离圆心约为0.128λ0的位置，短路金属柱的半径为0.5mm,高度约为0.116λ0。
进一步的，所述短路针同时连接短路微带线和外圆环，短路针半径为0.5mm，高约为0.01λ0,距离外圆环的圆心距离约为0.15λ0。
进一步的，所述地板的半径约为0.56λ0，地板与辐射单元的距离约为0.116λ0。
进一步的，所述上层介质基板通过四个支撑柱与下层介质基板固定连接。
进一步的，所述支撑柱为绝缘塑料柱；
所述馈电金属柱高度约为0.106λ0，半径约为0.011λ0。
进一步的，当第一射频开关二极管和第二射频开关二极管断开，第三射频开关二极管闭合时，天线实现定向辐射工作方式；
当第一射频开关二极管和第二射频开关二极管闭合，第三射频开关二极管断开时，天线实现全向辐射工作方式。
第一射频开关二极管和第二射频开关二极管加载在内圆与短路金属柱之间；第三射频开关二极管加载在馈电单元上；当第一射频开关二极管和第二射频开关二极管断开，第三射频开关二极管闭合时，天线实现定向辐射工作方式；当第一射频开关二极管和第二射频开关二极管闭合，第三射频开关二极管断开时，实现全向辐射工作方式。
加载于在内圆与短路金属柱之间、馈电单元的射频开关二极管是宽带实现全向/定向方向图可重构的关键。通过合理控制开关，使得辐射单元和馈电单元可以改变其工作模式并且天线采用耦合馈电的方法实现宽带，实现宽带全向模式、定向模式。
本发明的有益效果是：该天线为低剖面紧凑型结构，结构简单易于制作、有效的实现宽带，通过控制射频开关二极管的状态，天线可以实现全向辐射特性和定向辐射特性。两种工作模式均实现了3.3GHz-4.2GHz的全频段覆盖，满足了结构简单、使用的射频开关二极管少、实现宽带的全向/定向方向图可重构的要求。
附图说明
图1是本实施例一种宽带全向/定向方向图可重构天线的整体结构示意图；
图2是本实施例重构天线的俯视图；
图3是本实施例重构天线的正视图；
图4是本实施例重构天线的馈电单元；
图5是本实施例重构天线的带宽测试图；
图6是本实施例重构天线的增益测试图；
图7a是本实施例天线定向工作方式在3.3GHz时xoz面的方向图；
图7b是本实施例天线定向工作方式在3.3GHz时yoz面的方向图；
图8a是本实施例天线定向工作方式在3.8GHz时xoz面的方向图；
图8b是本实施例天线定向工作方式在3.8GHz时yoz面的方向图；
图9a是本实施例天线定向工作方式在4.2GHz时xoz面的方向图；
图9b是本实施例天线定向工作方式在4.2GHz时yoz面的方向图；
图10a是本实施例天线全向工作方式在3.3GHz时xoz面的方向图；
图10b是本实施例天线全向工作方式在3.3GHz时yoz面的方向图；
图11a是本实施例天线全向工作方式在3.8GHz时xoz面的方向图；
图11b是本实施例天线全向工作方式在3.8GHz时yoz面的方向图；
图12a是本实施例天线全向工作方式在4.2GHz时xoz面的方向图；
图12b是本实施例天线全向工作方式在4.2GHz时yoz面的方向图；
其中：1-辐射单元，101-内圆，102-外圆环，2-馈电单元，201-圆，202-微带线，3-馈电金属柱,41-第一短路金属柱，42-第二短路金属柱，5-同轴线，6-地板，7-支撑柱，8-短路针，9-第一射频开关二极管，10-第二射频开关二极管，11-第三射频开关二极管。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，一种宽带全向/定向方向图可重构天线，包括辐射单元1、馈电单元2、馈电金属柱3、短路金属柱、同轴线5、地板6、支撑柱7、短路针8、介质基板和控制天线工作模式的三个射频开关二极管，所述三个射频开关二极管分别为：第一射频开关二极管9、第二射频开关二极管10和第三射频开关二极管11；所述介质基板有两层包括上层介质基板和下层介质基板；
所述辐射单元1加载在上层介质基板正面的中心位置，所述辐射单元1包括内圆101和与内圆101同心的外圆环102，内圆101位于上层介质基板的中心；内圆101的半径约为0.096λ0，所述外圆环102的半径约为0.175λ0；所述内圆101与外圆环102之间的缝隙距离约为0.048λ0。λ0是中心频率3.75GHz所对应的自由空间波长。
所述馈电单元2包括金属圆201和微带线202，馈电单元2加载在上层介质基板背面，圆201加载在上层介质基板背面的中心位置，微带线202加载在上层介质基板的背面，微带线的一侧短边位于上层介质基板背面的中心位置向外延长，微带线202与金属圆201有一部分是重叠在一起；所述金属圆201半径约为0.025λ0,馈电单元1的微带线202宽度约为0.02λ0，长度约为0.156λ0。金属圆201与内圆101不相连接。
所述短路针8同时连接短路微带线202和外圆环102，短路针8半径为0.5mm，高约为0.01λ0,距离外圆环102的圆心距离约为0.15λ0。
所述短路金属柱单元包括第一短路金属柱401和第二短路金属柱42，两个短路金属柱，对称放置于内圆101与外圆环102之间的缝隙；所述第一短路金属柱41和第二短路金属柱42分别离圆心约为0.128λ0的位置，每个短路金属柱的半径为0.5mm,高度约为0.116λ0。
所述第一射频开关二极管9加载在内圆101与第一短路金属柱41之间；第二射频开关二极管10加载在内圆101与第二短路金属柱42之间；第三射频开关二极管11加载在馈电单元2的微带线202上。
所述地板6加载在下层介质基板的正面，地板6的半径约为0.56λ0，地板6与辐射单元1的距离约为0.116λ0。
所述上层介质基板通过四个支撑柱7固定在下层介质基板上。
如图3所示，所述馈电金属柱3与馈电单元2的金属圆201连接；所述馈电金属柱3放置在上层介质基板和下层介质基板之间，并与上层介质基板和下层介质基板的中心垂直，馈电金属柱3高度约为0.106λ0，半径约为0.011λ0。
所述同轴线5位于下层介质基板的下面，且同轴线5的内心连接馈电金属柱3，馈电金属柱3与馈电单元2的金属圆201连接，同轴线5通过馈电金属柱3对馈电单元2馈电，馈电单元2通过耦合的方式对辐射单元1进行馈电。
所述介质基板的上层介质基板厚度为0.8mm、介电常数为2.2、损耗正切均为0.0009的罗杰斯5880板材；下层介质基板的介电常数为4.4、损耗正切为0.02的FR4板材。辐射单元1加载在上层介质基板的正面，馈电单元2加载在上层介质基板的背面。
所述地板6与辐射单元1的距离约为0.106λ0，地板6的半径约0.56λ0。
所述四个支撑柱7为绝缘塑料柱。
如图2是本天线的俯视图。第一射频开关二极管9和第二射频开关二极管10加载在辐射单元1的内圆101与外圆环102之间的缝隙上，这两个射频开关二极管位置相差180°；第三射频开关二极管11加载在馈电单元2上。当第一射频开关二极管9和第二射频开关二极管10断开，第三射频开关二极管11闭合时，天线实现定向辐射工作方式；当第一射频开关二极管9和第二射频开关二极管10闭合，第三射频开关二极管11断开时，实现全向辐射工作方式。
如图4所示是馈电单元2。第三射频开关二极管11加载在馈电单元2上。
如图5所示，当第一射频开关二极管9和第二射频开关二极管10断开，第三射频开关二极管11闭合时，天线实现定向辐射工作方式，此时的回波损耗参数为图5中正方形黑色填充的曲线，天线带宽可覆盖3.3-4.21GHz；当第一射频开关二极管9和第二射频开关二极管10闭合，第三射频开关二极管11断开时，实现全向辐射工作方式，此时的回波损耗参数为图5中三角形△的曲线，天线带宽可覆盖3.3-4.21GHz。图6为天线在两种工作方式下的增益曲线图。
本发明采用三个射频二极管开关实现了宽带全向/定向方向图可重构。图7a和图7b分别是本实施例天线定向工作方式在3.3GHz时xoz面和yoz面的方向图；图8a和图8b分别是本实施例天线定向工作方式在3.8GHz时xoz面和yoz面的方向图；图9a和图9b分别是本实施例天线定向工作方式在4.2GHz时xoz面和yoz面的方向图；图10a和图10b分别是本实施例天线全向工作方式在3.3GHz时xoz面和yoz面的方向图；图11a和图11b分别是本实施例天线全向工作方式在3.8GHz时xoz面和yoz面的方向图；图12a和图12b分别是本实施例天线全向工作方式在4.2GHz时xoz面和yoz面的方向图；该天线带宽可覆盖3.3-4.2GHz（相对带宽为24%）、两种种工作模式辐射方向图稳定，真正意义上实现了宽带全向/定向方向图可重构。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种宽带全向/定向方向图可重构天线，其特征在于，包括辐射单元（1）、馈电单元（2）、馈电金属柱（3）、短路金属柱、短路针（8）、地板（6）、同轴线（5）、支撑柱（7）、介质基板和控制天线工作模式的三个射频开关二极管；所述介质基板包括上层介质基板和下层介质基板，所述辐射单元（1）包括内圆（101）和与内圆（101）同心的外圆环（102），辐射单元（1）加载在上层介质基板的正面，所述地板（6）加载在下层介质基板的背面，所述馈电单元（2）包括金属圆（201）和微带线（202），金属圆（201）与微带线（202）连接，馈电单元（2）加载在上层介质基板的背面，所述馈电单元（2）的微带线（202）和辐射单元（1）的外圆环（102）均与短路针（8）连接，所述上层介质基板通过支撑柱（7）固定在下层介质基板上，馈电金属柱（3）与馈电单元（2）的金属圆（201）连接，所述馈电金属柱（3）放置在上层介质基板和下层介质基板之间；所述同轴线（5）位于下层介质基板的下面，且同轴线（5）的内心连接馈电金属柱（3），同轴线（5）的外心连接到地板（6），所述地板（6）位于在下层介质基板的背面，同轴线（5）通过馈电金属柱（3）对馈电单元（2）馈电，馈电单元（2）通过耦合的方式对辐射单元（1）进行馈电；
所述短路金属柱包括第一短路金属柱（41）和第二短路金属柱（42），两个短路金属柱对称放置于内圆（101）与外圆环（102）之间的缝隙；
所述三个射频开关二极管分别为：第一射频开关二极管（9）、第二射频开关二极管（10）和第三射频开关二极管（11）；第一射频开关二极管（9）加载在内圆（101）与第一短路金属柱（41）之间；第二射频开关二极管（10）加载在内圆（101）与第二短路金属柱（42）之间；第三射频开关二极管（11）加载在馈电单元（2）的短路微带线（202）上。
2.根据权利要求1所述的宽带全向/定向方向图可重构天线，其特征在于，所述辐射单元的内圆（101）半径为0.094λ0，其中，λ0是中心频率3.75GHz所对应的自由空间波长。
3.根据权利要求1所述的宽带全向/定向方向图可重构天线，其特征在于，所述辐射单元（2）的外圆环（102）的半径为0.175λ0；所述内圆（101）与外圆环（102）之间的缝隙距离为0.048λ0，其中，λ0是中心频率3.75GHz所对应的自由空间波长。
4.根据权利要求1所述的宽带全向/定向方向图可重构天线，其特征在于，所述馈电单元（2）的金属圆（201）半径为0.025λ0,馈电单元（2）的短路微带线（202）宽度为0.02λ0，长度为0.156λ0，馈电单元（2）加载在上层介质基板的背面，其中，λ0是中心频率3.75GHz所对应的自由空间波长。
5.根据权利要求1所述的宽带全向/定向方向图可重构天线，其特征在于，所述第一短路金属柱（41）和第二短路金属柱（42）分别离圆心的0.128λ0的位置，短路金属柱的半径为0.5mm,高度为0.116λ，其中，λ0是中心频率3.75GHz所对应的自由空间波长。
6.根据权利要求1所述的宽带全向/定向方向图可重构天线，其特征在于，所述短路针（8）同时连接短路微带线（202）和外圆环（102），短路针（8）半径为0.5mm，高为0.01λ0,距离外圆环（102）的圆心距离为0.15λ0，其中，λ0是中心频率3.75GHz所对应的自由空间波长。
7.根据权利要求1所述的宽带全向/定向方向图可重构天线，其特征在于，所述地板（6）的半径为0.56λ0，地板（6）与辐射单元（1）的距离为0.116λ0，其中，λ0是中心频率3.75GHz所对应的自由空间波长。
8.根据权利要求1所述的宽带全向/定向方向图可重构天线，其特征在于，所述上层介质基板通过四个支撑柱（7）与下层介质基板固定连接。
9.根据权利要求1所述的宽带全向/定向方向图可重构天线，其特征在于，所述支撑柱（7）为绝缘塑料柱；
所述馈电金属柱（3）高度为0.106λ0，半径为0.011λ0，其中，λ0是中心频率3.75GHz所对应的自由空间波长。
10.根据权利要求1所述的宽带全向/定向方向图可重构天线，其特征在于，当第一射频开关二极管（9）和第二射频开关二极管（10）断开，第三射频开关二极管（11）闭合时，天线实现定向辐射工作方式；
当第一射频开关二极管（9）和第二射频开关二极管（10）闭合，第三射频开关二极管（11）断开时，天线实现全向辐射工作方式。
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