CN110880645A - 基于超表面天线的极化可重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种状态可切换的超表面天线极化可重构方法，属于天线技术领域。该天线包括超表面、极化可重构馈电结构和金属地板三部分。所述超表面结构由四块大小完全相同的方形亚波长贴片单元组成。所述极化可重构馈电结构由加载有4个PIN管的交叉偶极子及两条沿y轴放置的矩形金属条带共同形成的箭头形偶极子组成且采用50欧姆同轴线直接对其馈电，该天线通过控制4个PIN管的导通和截止状态使得馈电结构变换成为对应的L形偶极子的形式或沿y轴的金属条带的形式，从而形成线极化、左旋圆极化或右旋圆极化并能实现三者之间的快速转换。所述金属地板用于实现天线的定向辐射。本发明提出了超表面结构结合可重构馈电偶极子结构，实现超表面天线的电可重构设计方法，可以通过控制极化可重构馈电结构的少数PIN开关的通断，实现超表面天线的三种状态极化可重构功能，且本发明提出一种新颖的L形馈电结构用以产生圆极化状态，同时天线具有紧凑化、低剖面、高增益、低成本及易加工等优势。

Description

基于超表面天线的极化可重构方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及超表面天线的线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种状 态的极化可重构实现方法。
背景技术
极化可重构天线能够在线极化和圆极化之间切换极化状态，通过复用相同的信道和频谱 来提高系统容量，减小极化失配和信道干扰。极化可重构超表面天线相比于地板作反射面、 电磁偶极子作为辐射体的可重构天线具有低剖面的优势，相比于传统的贴片天线具有增益更 高、带宽更宽的优势，且无需复杂的馈电结构，避免了馈电网络的高损耗问题。目前，极化 可重构天线的报道主要集中于采用机械旋转超表面的方式进行可重构，通过电可重构的方式 实现超表面天线极化可重构的方法鲜有报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构简单、低成本、易加工的极化可重构超表面 天线实现方法，该方法提出利用紧凑型超表面结合可重构馈电结构实现在不需要通过机械旋 转超表面结构的情况下，仅通过改变极化可重构馈电结构的4个PIN管的通断状态，达到超 表面天线的极化可重构功能。本发明提出的极化可重构超表面天线采用一种新颖的双箭头形 极化可重构馈电结构用以实现线极化，左、右旋圆极化三种极化状态的激励，同时具有低剖 面、尺寸紧凑、结构简单、成本低、增益高、信道容量大等特点。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
极化可重构超表面天线，该天线由超表面、极化可重构馈电结构以及金属地板三部分组 成，所述极化可重构馈电结构用于实现超表面天线的线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种 状态的极化可重构功能；
该天线由两层介质基板组成，所述上层基板用于印制可重构馈电网络结构。所述下层基 板上表面和下表面分别印制超表面结构以及金属地板；
所述超表面结构由四个大小完全相同的亚波长贴片单元所组成，且每个单元之间的间距 相等；
所述极化可重构馈电结构由加载有4个PIN管的交叉偶极子及两根沿y轴放置的金属条 带所组成的双箭头形状结构，通过控制PIN管的导通或截止状态，分别控制馈电结构形成沿 y轴的条带的形式或L形的偶极子结构形式，激励天线成为线极化、左旋圆极化或右旋圆极 化工作状态，并可以实现三种极化状态之间的快速转换；
所述双箭头形极化可重构馈电结构由加载有4个PIN管的交叉偶极子及沿着y轴水平放 置的金属条带组成，且采用50欧姆同轴线对其馈电；所述50欧姆同轴线的内外导体分别与 双箭头形偶极子的两臂进行连接；
通过对所述4个PIN管(型号为MA4GP907，二极管的导通状态等效为5.2欧姆电阻，截止状态等效为0.025pF的电容)导通或截止状态的控制，能够实现线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间的转换，为了方便描述，将四个PIN管分别记为PIN#1、PIN#2、PIN#3、PIN#4：
1)当四个PIN管同时处于截止状态时，天线产生沿y轴的线极化状态；
2)当PIN#1、PIN#2导通，同时PIN#3、PIN#4截止时，天线产生左旋圆极化状态；
3)当PIN#1、PIN#2截止，同时PIN#3、PIN#4导通时，天线产生右旋圆极化状态。
PIN管状态与极化可重构状态之间的关系对应如表1。
所述天线具有两层介质基板且介质基板均呈方形，且边长均为30mm～35mm，其中上层 介质基板厚度为0mm～1mm，下层介质基板厚度为1mm～2mm；
进一步，所述双箭头形偶极子由一对交叉偶极子和沿y轴放置的水平枝节所组成，偶极 子的长度为：4.5mm～5mm，宽度为：2mm～4mm，水平枝节的长度为：5mm～7mm，宽度为：0mm～1mm；
进一步，超表面结构由四个大小完全一致的亚波长方形贴片所组成，每个贴片单元的边 长为：10mm～15mm，贴片与贴片单元之间的间距为：3mm～4mm；
进一步，所述金属地板边长为l：30mm～40mm。
本发明的有益效果在于：本发明提出利用超表面结合双箭头形极化可重构馈电结构，在 不需要对超表面进行机械旋转的情况下，仅通过控制极化可重构馈电网络上加载的4个PIN 管的状态，达到超表面天线的极化可重构功能，该天线具有高增益特性以及良好的边射特性， 同时具有紧凑化、剖面低、结构简单、易共性、成本低等特点，且具有广泛的应用价值。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是本发明天线的整体示意图；
图2是本发明天线的侧视图；
图3是极化可重构双箭头形偶极子结构图；
图4为印制于下基板上表面的超表面结构图；
图5为本发明在线极化状态下与左、右旋圆极化状态下，天线的反射系数(|S11|)随频率 变化的曲线图；
图6为本发明天线的轴比曲线和增益曲线；
图7为本发明天线在4.95GHz频点的线极化与左、右旋圆极化的辐射方向图；
其中：1-金属地板、2-上层介质基板、3-下层介质基板、4-50欧姆同轴电缆。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明天线的整体示意图，如图1所示，本发明所述的一种低剖面、紧凑化的极 化可重构超表面天线，主要包括超表面结构、极化可重构馈电结构和金属地板三个部分。
其中，所述超表面结构由四个完全相同的方形亚波长贴片组成2×2的超表面结构，且贴 片单元之间的间距是完全相同的；
所述极化可重构馈电部分由加载4个PIN管(型号为MA4GP907，导通状态等效为5.2Ω的电阻，截止状态等效为0.025pF的电容)的双箭形偶极子结构所组成，PIN管标号见图3，通过50欧姆同轴电缆直接馈电，所述双箭形偶极子由交叉偶极子结构以及两根与之相连的水平枝节所组成，所述50欧姆同轴线的内外导体分别接一对金属枝节的两端，该可重构馈 电部分可以通过控制PIN管的通断状态分别产生线极化、左旋圆极化和三极化状态：
1)当四个PIN管同时处于截至状态时，天线产生沿y轴的线极化状态；
2)当PIN#1、PIN#2导通，同时PIN#3、PIN#4截止时天线产生左旋圆极化状态；
3)当PIN#1、PIN#2截止，同时PIN#3、PIN#4导通时天线产生右旋圆极化状态。
表1.PIN管状态与极化可重构状态之间的关系
PIN#1 PIN#2 PIN#3 PIN#4 极化状态
OFF OFF OFF OFF 线极化
ON ON OFF OFF 左旋圆极化
OFF OFF ON ON 右旋圆极化
下层介质基板下表面印制有边长与介质基板大小相同的金属地板，用于实现天线的定向 辐射。
下面通过具体实施例来对本发明的具体方案进行说明。
参见图1-图4。图1为极化可重构超表面天线的整体示意图，图2为侧视图。其中，1-金 属地板、2-上层介质基板、3-下层介质基板、4-50欧姆同轴电缆。图3为极化可重构双箭头形 状激励结构，所述可重构馈电结构为加载有4个PIN管的交叉偶极子与沿y轴放置的水平金 属条带共同组成的双箭头形结构。图4为印制于上层基板2上表面的超表面结构。所述50欧 姆同轴电缆对双箭头形极化可重构馈电结构直接进行馈电。介质基板2、3均为方形结构，且 边长均为：34mm，其中上层基板厚度为：0.762mm，下层基板厚度为：1.524mm，两层介质 基板均采用型号为Rogers RT/duroid4350B的制作材料，其相对介电常数为3.48，相对磁导率 为1.0，损耗角正切为0.0037。所述极化不敏感超表面结构由四个大小完全相同的亚波长贴片 单元所组成且贴片单元之间的间距完全一致，贴片单元边长为14.1mm，贴片之间间距为 3.6mm。所述极化可重构双箭头形偶极子结构印制于上层基板上表面，其中偶极子长度为 l1＝4.8mm，宽度为w1＝3mm，沿y轴水平枝节长度l2为：6mm，宽度w2为：0.6mm。所述的 金属地板1印制于下层介质基板2的下表面，其形状和大小与下层基板完全一致，边长l为 34mm。
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS18.0进行仿真分析，经过仿真优 化之后得到各项参数尺寸如表1所示：
表1本发明各参数最佳尺寸表
Figure BDA0002226666110000041
依照上述参数，使用HFSS18.0对所设计的极化可重构超表面天线的S参数，辐射方向等 特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：
图6为本发明的反射系数(|S11|)随频率变化的曲线图，其中LP为线极化状态下的|S11| 曲线，RHCP(LHCP)为右(左)旋圆极化状态下的|S11|曲线，根据结构的对称性可知左右旋圆 极化的|S11|曲线相同。当天线|S11|<-10dB时，本天线线极化、左右旋圆极化重叠阻抗带宽为范 围4.78GHz～5.1GHz。
图6为本发明天线的轴比曲线和增益曲线，根据结构的对称性可知左右旋圆极化的轴比 (AR)曲线和增益曲线均相同。仿真结果显示在可用频带范围内左、右旋圆极化轴比均小于3dB， 左、右旋圆极化增益范围为5.2dBi～6.7dBi，频带内增益浮动小于1.5dB，线极化增益范围为 5.2dBi～6.8dBi，频带内增益浮动小于1.6dB。
图7为本发明在4.95GHz频点处的线极化状态(图7(a))与左、右旋圆极化状态下的辐射方向图(图7(b))，根据结构的对称性可知左右旋圆极化的辐射方向图相同。天线在4.95GHz时呈现出良好的边射辐射特性。
综上所述，该天线提出利用紧凑的超表面结合较为新颖简单的双箭头形状的极化可重构 馈电结构的方式实现超表面天线的电可重构功能，具有线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三 种极化状态可重构的功能，除此之外还具有低剖面、紧凑化、高增益、结构简单、低成本、 易加工的优势。该极化可重构天线凭借低剖面、紧凑化、结构简单、成本低、高增益等特点 能够广泛的应用到现代无线通信系统中。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优 选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细 节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种极化状态可重构的超表面天线，其特征在于：该天线由2×2金属贴片构成的超表面、双箭头形极化可重构馈电结构以及金属地板三部分组成，其中，可重构馈电结构用于实现天线三种状态的极化可重构功能。
2.根据权利要求1所述的极化可重构超表面天线，其特征在于：天线由两层介质基板组成，其中上层基板主要用于印制双箭头形极化可重构馈电结构，下层基板主要用于印制超表面结构以及金属地板。所述超表面结构位于下层介质基板上表面，金属地板位于下层介质基板下表面。
3.根据权利要求1所述的极化可重构超表面天线，其特征在于：所述的可重构馈电结构由加载有4个PIN管的交叉偶极子结构和两根沿y轴放置且与偶极子相连接的金属条带共同组成的双箭头形状结构，所述可重构馈电网络通过控制加载PIN管的通断状态使得馈电结构变换成为对应的L形偶极子的形式以及沿y轴的金属条带的形式，从而形成线极化、左旋圆极化或右旋圆极化状态并能实现三者之间的快速转换。
4.根据权利要求1所述的极化可重构超表面天线，其特征在于：所述的超表面结构由四个完全相同的方形亚波长贴片单元组成且两两贴片之间的间距完全一致。
5.根据权利要求1所述的极化可重构超表面天线，其特征在于：所述可重构馈电部分采用50欧姆同轴线进行馈电，所述50欧姆同轴线的内外导体分别和双箭头形偶极子的两臂进行连接。
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