CN110797648A - 一种三频极化可重构单馈贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三频极化可重构单馈贴片天线，包括第一、二介质基板，输入端口、PIN二极管、电感、电容和电压模块；第一介质基板位于第二介质基板上方，两介质基板之间存在空气层；第一介质基板顶面设有矩形辐射贴片，矩形辐射贴片的其中三边加载有开路短截线，开路短截线通过PIN二极管与矩形辐射贴片连接，矩形辐射贴片内部开有三条与所靠近边相平行的缝隙，缝隙中心处各跨接有一个PIN二极管；第二介质基板顶面设有带缝隙的地板，底面设有输入端口的微带馈线，输入端口的微带馈线通过地板上的缝隙来激励矩形辐射贴片。本发明能够在三个频段实现极化特性的切换，具有功能多元化、设计灵活、低剖面、成本低等优点。

Description

一种三频极化可重构单馈贴片天线
技术领域
本发明涉及天线的技术领域，尤其是指一种三频极化可重构单馈贴片天线。
背景技术
可重构天线因为具有多功能性的特点而引起人们注意，其中极化可重构天线具有降低衰落损耗、提高系统容量、抑制信道干扰等优点而备受关注。在建筑密集的地方，会出现大量的多径反射，圆极化天线可以有效对抗法拉第旋转效应和多径衰落，改善信号质量。在多径反射不显著的农村或公路开阔地，极化主要集中为垂直方向。为了使同一个系统同时满足多个通信标准且能够根据应用需要切换极化状态，多频极化可重构天线的作用显得尤为重要。微带平面天线因为具有重量轻、易加工、低剖面和低成本等优点，在现代通信终端发挥重要的作用。至今为止国际上学者们提出了多种贴片天线的多频和极化可重构的技术实现。
2013年，Ahmed Khidre等学者在“IEEE TREANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION”上发表题为“Circular Polarization Reconfigurable Wideband E-ShapedPatch Antenna for Wireless Applications”的文章，他们通过在E型辐射贴片的两条缝隙上各加载一个微波开关，利用微波开关的开合状态，可实现两种工作状态的切换：在2.3-2.5GHz处左旋圆极化，或在2.3-2.5GHz处实现右旋圆极化。
2015年，Mohammad M.Fakharian等学者在“IEEE ANTENNAS AND PROPAGATIONMAGAZINE”上发表题为“Reconfigurable Multiband Extended U-Slot Antenna WithSwitchable Polarization for Wireless Applications”的文章，他们通过在辐射贴片上开U型槽线以及在接地板上开槽线，利用偏置电路控制跨接在U型槽线上的PIN二极管，实现四种工作状态的切换：在2.4GHz和5.8GHz实现右旋圆极化，或在2.4GHz和5.8GHz实现左旋圆极化，或在2.4GHz、3.5GHz和5.8GHz实现线极化，或在5.8GHz实现线极化。
对现有技术进行调查了解，具体如下：
总的来说，在现有工作中，关于极化可重构和多频天线的研究占了相当一部分的比例，但是，其中大部分的可重构多频天线都集中在单频或者双频，关于三频的研究相对较少。此外，同时在三个频段实现极化状态切换的天线更少。所以设计一款具有三频极化可重构特性的、单缝隙耦合馈电、结构简单的贴片天线具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种结构简单可靠的三频极化可重构单馈贴片天线，能够在三个频段实现极化特性的切换，具有功能多元化、设计灵活、低剖面、成本低等优点。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种三频极化可重构单馈贴片天线，包括第一介质基板、第二介质基板、输入端口、第一PIN二极管、第二PIN二极管、第三PIN二极管、第四PIN二极管、第五PIN二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电压模块、第二电压模块、第三电压模块、第四电压模块、第五电压模块、第六电压模块、第七电压模块；
所述第一介质基板位于第二介质基板上方，且两介质基板之间存在空气层；
所述第一介质基板的顶面放置有矩形辐射贴片；所述矩形辐射贴片的其中三边均加载有的开路短截线，分别为第一开路短截线、第二开路短截线、第三开路短截线，所述第二开路短截线和第三开路短截线位于矩形辐射贴片的不相邻两边处，该第二开路短截线通过第二PIN二极管与矩形辐射贴片连接，该第三开路短截线通过第三PIN二极管与矩形辐射贴片连接；所述矩形辐射贴片的内部开有三条缝隙，分别为第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙，该三条缝隙平行并靠近于矩形辐射贴片的其中三边，即一条缝隙对应一条边，所述第一缝隙对应第二开路短截线的那条边，所述第三缝隙对应第三开路短截线的那条边，所述第二缝隙对应没有加载开路短截线的那条边，所述第一缝隙的中心处跨接有第四PIN二极管，其两端分别跨接有第二电容和第三电容，所述第三缝隙的中心处跨接有第五PIN二极管，其两端分别跨接有第四电容和第五电容；
所述第一介质基板的顶面放置有第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘、第四焊盘、第五焊盘；所述第二开路短截线通过第三电感与第二焊盘连接后再连接到第四电压模块；所述第三开路短截线通过第六电感与第五焊盘连接后再连接到第七电压模块；所述矩形辐射贴片没有加载开路短截线的那条边两端分别加载有第四电感、第五电感；该第四电感与第三焊盘连接后再连接到第五电压模块，该第五电感与第四焊盘连接后再连接到第六电压模块；所述矩形辐射贴片加载第一开路短截线的那条边加载有第七电感，该第七电感与第一焊盘连接后再连接到第三电压模块；
所述第二介质基板的顶面设置有带缝隙的地板，其底面设置有第六焊盘、第七焊盘及输入端口的第一、二、三微带馈线，该第一、二、三微带馈线构成L形结构，且所述第一微带馈线和第二微带馈线处于同一直线上，该第二微带馈线的一端通过第一电容与第一微带馈线连接，其另一端通过第一电感与第六焊盘连接后再连接第一电压模块，所述第二微带馈线与第三微带馈线之间跨接有第一PIN二极管，所述第三微带馈线通过第二电感与第七焊盘连接后再连接到第二电压模块；所述输入端口的第一、二、三微带馈线通过地板上的缝隙来激励矩形辐射贴片。
进一步，通过控制电压模块的电压来控制PIN二极管的开合状态，进而实现极化可重构，具体如下：
当第二、四PIN二极管处于闭合状态且第三、五PIN二极管处于断开状态时，天线的三个频段由低频到高频依次处于左旋圆极化、左旋圆极化和右旋圆极化；
当第三、五PIN二极管处于闭合状态且第二、四PIN二极管处于断开状态时，天线的三个频段由低频到高频依次处于右旋圆极化、右旋圆极化和左旋圆极化；
当第四、五PIN二极管处于闭合状态且第二、三PIN二极管处于断开状态时，天线的三个频段均处于线极化。
进一步，所述输入端口的微带馈线能够通过控制第一PIN二极管的状态改变馈线结构，实现各极化状态下的良好阻抗匹配；当天线的三个频段由低频到高频依次处于左旋圆极化、左旋圆极化和右旋圆极化时，第一PIN二极管处于断开状态；当天线的三个频段由低频到高频依次处于右旋圆极化、右旋圆极化和左旋圆极化时，第一PIN二极管处于断开状态；当天线的三个频段均处于线极化时，第一PIN二极管处于闭合状态。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、通过加载开路短截线和挖槽线技术来扰动高次模的场分布，利用PIN二极管的开合状态，改变辐射单元的结构，可实现多频极化可重构，而无需增加额外的辐射体，降低了加工复杂度和天线的体积。
2、在利用单缝隙进行馈电的情况下，通过改变辐射单元的结构，实现极化可重构，避免了双馈时的复杂电路，有效地简化天线的馈电结构；且在馈线加载PIN二极管，通过控制PIN二极管的开合状态来改变馈线的长度和加载枝节的情况，从而很方便地使天线在各种工作状态下均能实现良好的阻抗匹配。
3、输入端口的微带馈线通过地板上的缝隙来激励矩形辐射贴片，馈电结构对辐射贴片的干扰低。
附图说明
图1为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线的俯视图。
图2为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线的俯视图。
图3为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线的侧视图。
图4为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态1时的反射系数(S11参数)的仿真结果图。
图5为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态1时的增益和轴比的仿真结果图。
图6a为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态1时在2.45GHz频率处的辐射方向图(xoz面和yoz面)仿真结果。
图6b为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态1时在3.44GHz频率处的辐射方向图(xoz面和yoz面)仿真结果。
图6c为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态1时在4.29GHz频率处的辐射方向图(xoz面和yoz面)仿真结果。
图7本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态2时的反射系数(S11参数)的仿真结果图。
图8本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态2时的增益和轴比的仿真结果图。
图9a为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态2时在2.46GHz频率处的辐射方向图(xoz面和yoz面)仿真结果。
图9b为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态2时在3.44GHz频率处的辐射方向图(xoz面和yoz面)仿真结果。
图9c为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态2时在4.29GHz频率处的辐射方向图(xoz面和yoz面)仿真结果。
图10本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态3时的反射系数(S11参数)的仿真结果图。
图11本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态3时的增益和轴比的仿真结果图。
图12a为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态3时在2.74GHz频率处的辐射方向图(xoz面和yoz面)仿真结果。
图12b为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态3时在3.56GHz频率处的辐射方向图(xoz面和yoz面)仿真结果。
图12c为本发明的三频极化可重构单馈贴片天线在状态3时在4.35GHz频率处的辐射方向图(xoz面和yoz面)仿真结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1至图3所示，本实施例所提供的三频极化可重构单馈贴片天线，包括第一介质基板1、第二介质基板2、输入端口、第一PIN二极管D1、第二PIN二极管D2、第三PIN二极管D3、第四PIN二极管D4、第五PIN二极管D5、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6、第七电感L7、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一电压模块V1、第二电压模块V2、第三电压模块V3、第四电压模块V4、第五电压模块V5、第六电压模块V6、第七电压模块V7。
所述第一介质基板1位于第二介质基板2上方，且两介质基板之间存在空气层3。
所述第一介质基板1的顶面放置有矩形辐射贴片11；所述矩形辐射贴片11的其中三边均加载有的开路短截线，分别为第一开路短截线12、第二开路短截线13、第三开路短截线14，所述第二开路短截线13和第三开路短截线14位于矩形辐射贴片11的不相邻两边处，该第二开路短截线13通过第二PIN二极管D2与矩形辐射贴片11连接，该第三开路短截线14通过第三PIN二极管D3与矩形辐射贴片11连接；所述矩形辐射贴片11的内部开有三条缝隙，分别为第一缝隙15、第二缝隙16、第三缝隙17，该三条缝隙平行并靠近于矩形辐射贴片11的其中三边，即一条缝隙对应一条边，所述第一缝隙15对应第二开路短截线13的那条边，所述第三缝隙17对应第三开路短截线14的那条边，所述第二缝隙16对应没有加载开路短截线的那条边，所述第一缝隙15的中心处跨接有第四PIN二极管D4，其两端分别跨接有第二电容C2和第三电容C3，所述第三缝隙17的中心处跨接有第五PIN二极管D5，其两端分别跨接有第四电容C4和第五电容C5。
所述第一介质基板1的顶面放置有第一焊盘18、第二焊盘19、第三焊盘20、第四焊盘21、第五焊盘22；所述第二开路短截线13通过第三电感L3与第二焊盘19连接后再连接到第四电压模块V4；所述第三开路短截线14通过第六电感L6与第五焊盘22连接后再连接到第七电压模块V7；所述矩形辐射贴片11没有加载开路短截线的那条边两端分别加载有第四电感L4、第五电感L5；该第四电感L4与第三焊盘20连接后再连接到第五电压模块V5，该第五电感L5与第四焊盘21连接后再连接到第六电压模块V6；所述矩形辐射贴片11加载第一开路短截线12的那条边加载有第七电感L7，该第七电感L7与第一焊盘18连接后再连接到第三电压模块V3。
所述第二介质基板2的顶面设置有带缝隙5的地板4，其底面设置有第六焊盘8、第七焊盘10及输入端口的第一、二、三微带馈线6、7、9，该第一、二、三微带馈线6、7、9构成L形结构，且所述第一微带馈线6和第二微带馈线7处于同一直线上，该第二微带馈线7的一端通过第一电容C1与第一微带馈线6连接，其另一端通过第一电感L1与第六焊盘8连接后再连接第一电压模块V1，所述第二微带馈线7与第三微带馈线9之间跨接有第一PIN二极管D1，所述第三微带馈线9通过第二电感L2与第七焊盘10连接后再连接到第二电压模块V2；所述输入端口的第一、二、三微带馈线6、7、9通过地板4上的缝隙5来激励矩形辐射贴片11。
通过控制电压模块的电压来控制PIN二极管的开合状态，进而实现极化可重构，具体如下：
当第二、四PIN二极管D2、D4处于闭合状态且第三、五PIN二极管D3、D5处于断开状态时，天线的三个频段由低频到高频依次处于左旋圆极化、左旋圆极化和右旋圆极化(状态1)。
当第三、五PIN二极管D3、D5处于闭合状态且第二、四PIN二极管D2、D4处于断开状态时，天线的三个频段由低频到高频依次处于右旋圆极化、右旋圆极化和左旋圆极化(状态2)。
当第四、五PIN二极管D4、D5处于闭合状态且第二、三PIN二极管D2、D3处于断开状态时，天线的三个频段均处于线极化(状态3)。
所述输入端口的微带馈线能够通过控制第一PIN二极管D1的状态改变馈线结构，实现各极化状态下的良好阻抗匹配；当天线的三个频段由低频到高频依次处于左旋圆极化、左旋圆极化和右旋圆极化时，第一PIN二极管D1处于断开状态；当天线的三个频段由低频到高频依次处于右旋圆极化、右旋圆极化和左旋圆极化时，第一PIN二极管D1处于断开状态；当天线的三个频段均处于线极化时，第一PIN二极管D1处于闭合状态。
参见图4所示，显示了本实施例上述三频极化可重构单馈贴片天线在状态1时的反射系数的仿真结果。从图中可以看到，天线的阻抗带宽为2.43-2.56GHz，3.32-3.42GHz和4.17-4.55GHz。天线在通带内达到了很好的阻抗匹配。
参见图5所示，显示了本实施例上述三频极化可重构单馈贴片天线在状态1时，在三个频段在法向方向上的增益和轴比的仿真结果。从图中可以看到，天线的三个频段在法向方向上的3-dB轴比带宽依次为2.44-2.47GHz，3.43-3.45GHz和4.28-4.31GHz，圆极化特性依次为左旋圆极化，左旋圆极化和右旋圆极化，在法向方向上的增益依次为7.27dBi，7.32dBi，7.56dBi。天线在通带内能实现低轴比，具有很好的圆极化特性。
参见图6a、6b、6c所示，显示了本实施例上述三频极化可重构单馈贴片天线在状态1时，在三个通带中心频率处的辐射方向图仿真结果。从图中可以看到，该天线在xoz面和yoz面均实现了良好的定向辐射特性。
参见图7所示，显示了本实施例上述三频极化可重构单馈贴片天线在状态2时的反射系数的仿真结果。从图中可以看到，天线的阻抗带宽为2.44-2.56GHz，3.33-3.44GHz和4.18-4.55GHz。天线在通带内达到了很好的阻抗匹配。
参见图8所示，显示了本实施例上述三频极化可重构单馈贴片天线在状态2时，在三个频段在法向方向上的增益和轴比的仿真结果。从图中可以看到，天线的三个频段在法向方向上的3-dB轴比带宽依次为2.44-2.46GHz，3.43-3.46GHz和4.28-4.30GHz，圆极化特性依次为左旋圆极化，左旋圆极化和右旋圆极化，在法向方向上的增益依次为7.07dBi，7.67dBi，7.66dBi。天线在通带内能实现低轴比，具有很好的圆极化特性。
参见图9a、9b、9c所示，显示了本实施例上述三频极化可重构单馈贴片天线在状态2时，在三个通带中心频率处的辐射方向图仿真结果。从图中可以看到，该天线在xoz面和yoz面均实现了良好的定向辐射特性。
参见图10所示，显示了本实施例上述三频极化可重构单馈贴片天线在状态3时的反射系数的仿真结果。从图中可以看到，天线的阻抗带宽为2.71-2.77GHz，3.54-3.58GHz和4.30-4.40GHz。天线在通带内达到了很好的阻抗匹配。
参见图11所示，显示了本实施例上述三频极化可重构单馈贴片天线在状态3时，在2.71-2.77GHz，3.54-3.58GHz和4.30-4.40GHz三个频段在法向方向上的增益，且三个频段的增益峰值依次为8.16dBi，9.21dBi，9.81dBi。
参见图12a、12b、12c所示，依次显示了本实施例上述三频极化可重构单馈贴片天线在状态3时，在2.74GHz,3.56GHz和4.35GHz处的辐射方向图仿真结果。从图中可以看到，该天线在xoz面和yoz面均实现了良好的定向辐射特性。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种三频极化可重构单馈贴片天线，其特征在于：包括第一介质基板、第二介质基板、输入端口、第一PIN二极管、第二PIN二极管、第三PIN二极管、第四PIN二极管、第五PIN二极管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第一电压模块、第二电压模块、第三电压模块、第四电压模块、第五电压模块、第六电压模块、第七电压模块；
所述第一介质基板位于第二介质基板上方，且两介质基板之间存在空气层；
所述第一介质基板的顶面放置有矩形辐射贴片；所述矩形辐射贴片的其中三边均加载有的开路短截线，分别为第一开路短截线、第二开路短截线、第三开路短截线，所述第二开路短截线和第三开路短截线位于矩形辐射贴片的不相邻两边处，该第二开路短截线通过第二PIN二极管与矩形辐射贴片连接，该第三开路短截线通过第三PIN二极管与矩形辐射贴片连接；所述矩形辐射贴片的内部开有三条缝隙，分别为第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙，该三条缝隙平行并靠近于矩形辐射贴片的其中三边，即一条缝隙对应一条边，所述第一缝隙对应第二开路短截线的那条边，所述第三缝隙对应第三开路短截线的那条边，所述第二缝隙对应没有加载开路短截线的那条边，所述第一缝隙的中心处跨接有第四PIN二极管，其两端分别跨接有第二电容和第三电容，所述第三缝隙的中心处跨接有第五PIN二极管，其两端分别跨接有第四电容和第五电容；
所述第一介质基板的顶面放置有第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘、第四焊盘、第五焊盘；所述第二开路短截线通过第三电感与第二焊盘连接后再连接到第四电压模块；所述第三开路短截线通过第六电感与第五焊盘连接后再连接到第七电压模块；所述矩形辐射贴片没有加载开路短截线的那条边两端分别加载有第四电感、第五电感；该第四电感与第三焊盘连接后再连接到第五电压模块，该第五电感与第四焊盘连接后再连接到第六电压模块；所述矩形辐射贴片加载第一开路短截线的那条边加载有第七电感，该第七电感与第一焊盘连接后再连接到第三电压模块；
所述第二介质基板的顶面设置有带缝隙的地板，其底面设置有第六焊盘、第七焊盘及输入端口的第一、二、三微带馈线，该第一、二、三微带馈线构成L形结构，且所述第一微带馈线和第二微带馈线处于同一直线上，该第二微带馈线的一端通过第一电容与第一微带馈线连接，其另一端通过第一电感与第六焊盘连接后再连接第一电压模块，所述第二微带馈线与第三微带馈线之间跨接有第一PIN二极管，所述第三微带馈线通过第二电感与第七焊盘连接后再连接到第二电压模块；所述输入端口的第一、二、三微带馈线通过地板上的缝隙来激励矩形辐射贴片。
2.根据权利要求1所述的一种三频极化可重构单馈贴片天线，其特征在于，通过控制电压模块的电压来控制PIN二极管的开合状态，进而实现极化可重构，具体如下：
当第二、四PIN二极管处于闭合状态且第三、五PIN二极管处于断开状态时，天线的三个频段由低频到高频依次处于左旋圆极化、左旋圆极化和右旋圆极化；
当第三、五PIN二极管处于闭合状态且第二、四PIN二极管处于断开状态时，天线的三个频段由低频到高频依次处于右旋圆极化、右旋圆极化和左旋圆极化；
当第四、五PIN二极管处于闭合状态且第二、三PIN二极管处于断开状态时，天线的三个频段均处于线极化。
3.根据权利要求1所述的一种三频极化可重构单馈贴片天线，其特征在于：所述输入端口的微带馈线能够通过控制第一PIN二极管的状态改变馈线结构，实现各极化状态下的良好阻抗匹配；当天线的三个频段由低频到高频依次处于左旋圆极化、左旋圆极化和右旋圆极化时，第一PIN二极管处于断开状态；当天线的三个频段由低频到高频依次处于右旋圆极化、右旋圆极化和左旋圆极化时，第一PIN二极管处于断开状态；当天线的三个频段均处于线极化时，第一PIN二极管处于闭合状态。
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