CN111342216A - 波束宽度可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波束宽度可重构天线，包括：壳体，壳体内形成有反射腔；第一介质基板，第一介质基板设置于反射腔内，且第一介质基板上形成有基片集成波导谐振腔以及多个耦合槽；天线阵列，天线阵列设置于第一介质基板上，耦合槽用于将基片集成波导谐振腔中的电磁能量耦合到天线阵列；电控可调装置，电控可调装置设置于第一介质基板上，电控可调装置用于对基片集成波导谐振腔中的电场进行微扰。本发明天线的波束宽度在可以在较大的范围内进行连续地调节，产生波束宽度连续可调的定向辐射，而且在给电控可调装置施加不同的电压情况下仍然保证了较宽的频带宽度，同时具有精度高、结构简单、易于控制的优点，尤其适宜应用到移动通信中的基站系统中。

Description

波束宽度可重构天线

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，特别涉及一种波束宽度可重构天线。

背景技术

近些年来，波束宽度可重构天线在移动通信、卫星通信和遥感等应用中有着越来越巨大的需求。以移动通信中的定向基站系统为例，当基站的三个天线中部分天线过载而其他天线较为空闲时，利用波束宽度可重构技术，调节不同天线的波束宽度来控制其覆盖范围，通信需求可以得到平衡。因此，波束宽度可重构天线可以根据不同的用户分布动态地调节辐射方向图的波束宽度，从而平衡通信需求、降低干扰、提高系统的通信效率、降低无线基站的投入成本。

目前现有的波束宽度可重构天线实现方式有如下几种：第一种采用机械调节的方式，比如手动调节反射面天线的馈电点与反射面的间距，但随之而来的是较大的误差且无法满足现代移动通信中快速动态响应的需求；第二种使用相控天线阵或控制天线阵中工作的天线单元个数也能够实现波束宽度可调，但是可重构天线阵体积太大，且需要复杂的馈电网络；另外一种波束宽度可调技术通过电控开关改变人工材料的结构，调节人工材料对入射波的响应，从而实现可调的波束宽度，但这种方式受到结构复杂和频带宽度太窄的限制。此外，在天线单元周围加载电尺寸可调的寄生单元可以实现波束宽度可重构，而且天线结构简单、尺寸较小，但是现有的设计无法在调节波束宽度的同时获得稳定的阻抗匹配特性，因此很难在宽频带上实现波束宽度的动态调节；而且能够实现最窄的半功率波束宽度仍然有80°，因此在某些通信场景下限制了其应用，比如跨海大桥或者高速公路，此时需要天线覆盖更长的距离且提高抑制干扰能力。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种波束宽度可重构天线，旨在解决上述提出的现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种波束宽度可重构天线，包括：壳体，所述壳体内形成有反射腔；第一介质基板，所述第一介质基板设置于所述反射腔内，且所述第一介质基板上形成有基片集成波导谐振腔以及多个耦合槽；天线阵列，所述天线阵列设置于所述第一介质基板上，所述耦合槽用于将所述基片集成波导谐振腔中的电磁能量耦合到所述天线阵列；电控可调装置，所述电控可调装置设置于所述第一介质基板上，所述电控可调装置用于对所述基片集成波导谐振腔中的电场进行微扰。

进一步地，所述第一介质基板相背的两个表面上分别设置有第一贴片和第二贴片，所述第一介质基板中还设有环状设置的多个第一金属化过孔，多个所述第一金属化过孔与所述第一贴片、第二贴片形成所述基片集成波导谐振腔；其中，所述第二贴片面向所述天线阵列，多个所述耦合槽开设于所述第二贴片上。

进一步地，所述天线阵列包括多个磁电偶极子天线，多个所述磁电偶极子天线等间距设置，且相邻所述磁电偶极子天线之间的间距接近所述磁电偶极子天线的中心频率对应波长的二分之一，每一所述磁电偶极子天线包括：4个方形贴片，4个所述方形贴片阵列排布且相互之间留有缝隙；十字形条带，所述十字形条带包括四条连接臂，四条所述连接臂呈十字形连接设置，且4个所述连接臂分别一一对应连接至4个所述方形贴片相互靠近的4个角位置；4个金属支撑件，4个所述金属支撑件一端与所述第二贴片贴设并固定于所述第一介质基板上，4个所述金属支撑件另一端一一对应与所述方形贴片固定连接；其中，所述耦合槽位于所述金属支撑件之间，且所述耦合槽的宽度小于所述金属支撑件之间的间距。

进一步地，所述电控可调装置包括多个电控可调单元，每一电控可调单元包括：第一环形槽，所述第一环形槽开设于所述第一贴片上，所述第一环形槽内设置有第一连接贴片；第一变容二极管，所述第一变容二极管的阳极连接至所述第一贴片，所述第一变容二极管的阴极连接至所述第一连接贴片；方形环槽，所述方形环槽开设于所述第一贴片上，所述方形环槽与所述第一环形槽连通，且所述方形环槽内设置有直流接触片，所述直流接触片与所述第一连接贴片之间连接有电感；第二环形槽，所述第二环形槽开设于所述第二贴片上，所述第二环形槽内设置有第二连接贴片；第二变容二极管，所述第二变容二极管的阳极连接至所述第二贴片，所述第二变容二极管的阴极连接至所述第二连接贴片；第二金属化过孔，所述第二金属化过孔贯穿所述第一介质基板，并连接所述第一连接贴片与所述第二连接贴片。

进一步地，所述波束宽度可重构天线还包括：第二介质基板，所述方形贴片设置于所述第二介质基板面向所述第一介质基板的表面上。

进一步地，所述第一介质基板上还开设有第一馈电端口和第二馈电端口，所述第一馈电端口和第二馈电端口均插设有射频输入接头，所述射频输入接头通过所述第一馈电端口和第二馈电端口对所述基片集成波导谐振腔进行差分馈电。

进一步地，多个所述磁电偶极子天线至少包括第一磁电偶极子天线、第二磁电偶极子天线和第三磁电偶极子天线，所述第二磁电偶极子天线位于所述第一磁电偶极子天线和第三磁电偶极子天线之间；所述电控可调单元的数量为4个，4个所述电控可调单元两个为两组，其中一组所述电控可调单元设置于所述第一磁电偶极子天线和第二磁电偶极子天线之间，另外一组所述电控可调单元设置于所述第二磁电偶极子天线和第三磁电偶极子天线之间，所述第一馈电端口以及所述第二馈电端口位于两组所述电控可调单元之间。

进一步地，所述第二磁电偶极子天线的中轴线与所述第一介质基板的中轴线重合；4个所述电控可调单元关于所述第一介质基板的中轴线对称设置；所述第一馈电端口与所述第二馈电端口关于所述第一介质基板的中轴线对称设置。

进一步地，所述波束宽度可重构天线还包括第一固定件和第二固定件，所述第二固定件为塑料材质；所述方形贴片上开设有至少一贴片固定孔，所述金属支撑件靠近所述方形贴片的一端开设有第一固定孔，所述第一固定件依次穿过所述贴片固定孔以及所述第一固定孔，以将所述方形贴片固定于所述金属支撑件上；所述金属支撑件靠近所述第一介质基板的一端开设有至少两个第二固定孔，所述第一介质基板开设有基板固定孔，所述第二固定件依次穿过所述基板固定孔以及所述第二固定孔，以将所述金属支撑件固定于所述第一介质基板上。

进一步地，所述第一磁电偶极子天线以及所述第三磁电偶极子天线中，所述至少两个第二固定孔沿着所述方形贴片的对角线方向排布；在所述第二磁电偶极子天线中，所述至少两个第二固定孔沿着所述方形贴片的边长方向排布，在所述第二固定件依次穿过所述基板固定孔以及所述第二固定孔后，位于不同的金属支撑件上的所述第二固定件给所述射频输入接头让出安装空间。

本发明的技术方案中，通过在所述第一介质基板上形成有所述基片集成波导谐振腔以及所述多个耦合槽，在向所述基片集成波导谐振腔进行差分馈电时，多个所述耦合槽将所述基片集成波导谐振腔中的电磁能量耦合到所述天线阵列，同时，通过设置于所述第一介质基板上的所述电控可调装置对所述基片集成波导谐振腔中的电场进行微扰，由此所述天线阵列可以得到不同的幅度和相位分布，进而改变所述天线阵列辐射方向图的波束宽度；本发明的波束宽度可重构天线的波束宽度在可以在较大的范围内进行连续地调节，产生波束宽度连续可调的定向辐射，而且在给所述电控可调装置施加不同的电压情况下仍然保证了较宽的频带宽度，同时具有精度高、结构简单、易于控制的优点，尤其适宜应用到移动通信中的基站系统中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明的波束宽度可重构天线的一实施例的立体结构示意图；

图2为本发明的波束宽度可重构天线的部分结构示意图；

图3为本发明的波束宽度可重构天线的底部结构示意图；

图4为本发明的波束宽度可重构天线的部分结构示意图；

图5为图1中的A部放大结构示意图；

图6为图3中的B部放大结构示意图；

图7为本发明的波束宽度可重构天线的另一实施例的立体结构示意图；

图8是本发明的波束宽度可重构天线的尺寸标注示意图；

图9是本发明的波束宽度可重构天线在电控可调单元不同电容值情况下的回波损耗和增益的仿真和实测结果图，其中，(a)是仿真结果图，(b)是实测结果图；

图10是本发明的波束宽度可重构天线在电控可调单元不同电容值情况下的xoz平面内的辐射方向图的仿真和实测结果图，其中，(a)是电容值为1.1pF时的辐射方向图的仿真和实测结果图，(b)是电容值为1.5pF时的辐射方向图的仿真和实测结果图，(c)是电容值为2.0pF时的辐射方向图的仿真和实测结果图，(d)是电容值为2.1pF时的辐射方向图的仿真和实测结果图；

图11本发明的波束宽度可重构天线在电控可调单元不同电容值情况下的yoz平面内的辐射方向图的仿真和实测结果图，其中(a)是电容值为1.1pF时的辐射方向图的仿真和实测结果图，(b)是电容值为1.5pF时的辐射方向图的仿真和实测结果图，(c)是电容值为2.0pF时的辐射方向图的仿真和实测结果图，(d)是电容值为2.1pF时的辐射方向图的仿真和实测结果图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1，本发明提供一种波束宽度可重构天线100，包括：壳体10，所述壳体10内形成有反射腔11；第一介质基板20，所述第一介质基板20设置于所述反射腔11内，且所述第一介质基板20上形成有基片集成波导谐振腔30以及多个耦合槽31；天线阵列40，所述天线阵列40设置于所述第一介质基板20上，所述耦合槽31用于将所述基片集成波导谐振腔30中的电磁能量耦合到所述天线阵列40；电控可调装置50，所述电控可调装置50设置于所述第一介质基板20上，所述电控可调装置50用于对所述基片集成波导谐振腔30中的电场进行微扰。

在本实施例中，所述壳体10可为盒型壳体，此时所述壳体10内形成的反射腔11为盒型反射腔，设置所述反射腔11可以更好地对所述波束宽度可重构天线100的波束宽度和前后比进行控制；在其他实施例中，所述壳体10也可以为其他形状的壳体，所述反射腔11也可以为其他形状的反射腔11，本实施例对此不作限制。所述第一介质基板20设置于所述反射腔11内，所述第一介质基板20优选为放置于所述反射腔11内并与所述壳体10固定连接，连接方式包括但不限于螺纹连接、卡扣连接等，所述第一介质基板20优选为矩形，在其他实施例中，所述第一介质基板20也可为其他形状，本实施例对此不作限定。定义矩形的所述第一介质基板20的长边延伸方向为第一方向A-A，定义述第一介质基板20宽边延伸方向为第二方向B-B，所述第一方向A-A与所述第二方向B-B垂直。

在本实施例中，所述第一介质基板10上形成有基片集成波导谐振腔30以及位于所述基片集成波导谐振腔30所在区域内的多个耦合槽31，且所述第一介质基板20上设置有天线阵列40，所述天线阵列40设置于所述第一介质基板20上并位于所述基片集成波导谐振腔30所在的区域内，所述耦合槽31与所述天线阵列40相向设置，在给所述基片集成波导谐振腔30进行差分馈电后，所述耦合槽31将所述基片集成波导谐振腔30中的电磁能量耦合到所述天线阵列40，对所述天线阵列40进行孔隙耦合激励；进一步地，通过在第一介质基板20上设置所述电控可调装置50，所述电控可调装置50对所述基片集成波导谐振腔30中的电场进行微扰，从而使所述天线阵列40可以得到不同的幅度和相位分布，进而改变天线阵列40的辐射方向图的波束宽度。

综上所述，本实施例通过在所述第一介质基板20上形成有所述基片集成波导谐振腔30以及所述多个耦合槽31，在向所述基片集成波导谐振腔30进行差分馈电后，多个所述耦合槽31将所述基片集成波导谐振腔30中的电磁能量耦合到所述天线阵列40，同时，通过设置于所述第一介质基板20上的所述电控可调装置50对所述基片集成波导谐振腔30中的电场进行微扰，由此所述天线阵列40可以得到不同的幅度和相位分布，进而改变所述天线阵列40辐射方向图的波束宽度；本发明的波束宽度可重构天线100的波束宽度在可以在较大的范围内进行连续地调节，产生波束宽度连续可调的定向辐射，而且在给所述电控可调装置50施加不同的电压情况下仍然保证了较宽的频带宽度，同时具有精度高、结构简单、易于控制的优点，尤其适用于移动通信中的基站系统中。

请一并参阅图1-3，进一步地，所述第一介质基板20相背的两个表面上分别设置有第一贴片21(见图3)和第二贴片22(见图2)，所述第一介质基板20中还设有环状设置的多个第一金属化过孔23，多个所述第一金属化过孔23与所述第一贴片21、第二贴片22形成所述基片集成波导谐振腔30；其中，所述第二贴片22面向所述天线阵列40，多个所述耦合槽31开设于所述第二贴片22上。

在本实施例中，所述第一贴片21和第二贴片22分别设置于所述第一介质基板20两个相背的表面，其中，所述第一贴片21位于所述第一介质基板20背离所述天线阵列40的表面上，所述第二贴片22位于所述第一介质基板20面向所述天线阵列40的表面上；多个第一金属化过孔23贯穿所述第一介质基板20并环状设置，环状设置的多个所述第一金属化过孔23与所述第一贴片21、第二贴片22在所述第一介质基板20上围成一立体区域，所述立体区域也即所述基片集成波导谐振腔30。

具体地，多个所述第一金属化过孔23分成四排，四排所述第一金属化过孔23依次连接形成一矩形，所述立体区域为矩形立体区域，所述基片集成波导谐振腔30为矩形基片集成波导谐振腔；在其他实施例中，多个所述第一金属化过孔23也可以围成其他形状如圆形、正方形、平行四边形等，本实施例对此不作限定。所述第一金属化过孔23也可以替换为同等尺寸的金属销钉，进一步地，多个所述耦合槽31等间距地蚀刻于所述第二贴片22上，以通过所述耦合槽31将所述基片集成波导谐振腔30中的电磁能量耦合到所述天线阵列40。

请一并参阅图1-4，进一步地，所述天线阵列40包括多个磁电偶极子天线41，多个所述磁电偶极子天线41等间距设置，且相邻所述磁电偶极子天线41之间的间距接近所述磁电偶极子天线41的中心频率对应波长的二分之一，每一所述磁电偶极子天线41包括：4个方形贴片411，4个所述方形贴片411阵列排布且相互之间留有缝隙；十字形条带412，所述十字形条带412包括四条连接臂4121，四条所述连接臂4121呈十字形连接设置，且4个所述连接臂4121分别一一对应连接至4个所述方形贴片411相互靠近的4个角位置；4个金属支撑件413，4个所述金属支撑件413一端与所述第二贴片22贴设并固定于所述第一介质基板20上，4个所述金属支撑件413另一端一一对应与所述方形贴片411固定连接；其中，所述耦合槽31位于所述金属支撑件413之间，且所述耦合槽31的宽度小于所述金属支撑件413之间的间距。

在本实施例中，所述天线阵列40由多个所述磁电偶极子天线41组成，在其他实施例中，所述天线阵列40也可以由其他能够通过孔径耦合激励的多个辐射单元如微带贴片等组成。所述磁电偶极子天线41的数量优选为3个，或者，3个以上的奇数个数。多个所述磁电偶极子天线41优选为排状设置且等间距设置，且相邻所述磁电偶极子天线41之间的间距接近所述磁电偶极子天线41的中心频率对应波长的二分之一；具体地，每一所述磁电偶极子天线41包括4个方形贴片411、4个金属支撑件413以及1个十字形条带412，每一所述十字形条带412包括4个长度相等的连接臂4121，4个所述连接臂4121垂直连接形成十字形，4个所述方形贴片411以2行2列的方式进行排布以实现中心对称设置，且相邻所述方形贴片411之间留有间隙；所述十字形条带412布置在4个方形贴片411的对称中心，且4个所述连接臂4121分别一一对应连接到4个所述方形贴片411，且所述连接臂4121连接到所述方形贴片411的靠近所述磁电偶极子天线41对称中心的角位置处，也即，4个所述连接臂4121分别一一对应连接至4个所述方形贴片411相互靠近的4个角位置，所述连接臂4121的延伸方向与所述方形贴片411的对角线方向同向，具体地，4个所述方形贴片411相互靠近的4个角位置各自切出一个切角(图未示)，所述连接臂4121连接到所述切角位置，且所述方形贴片411的切角长度等于所述连接臂4121窄边的宽度。其中，在所述磁电偶极子天线41的对称中心布置所述十字形条带412，目的是为了获得更好的阻抗匹配。

在本实施例中，以所述金属支撑件413为方形金属柱为例进行说明，所述方形金属柱也可用表面积相等的金属板替代。所述方形金属柱的数量与所述方形贴片411的数量对应，都是4个，且每个方形金属柱与十字形条带412的对称中心的距离相等，4个所述方形金属柱一一对应对4个所述方形贴片411进行支撑固定，其中，所述方形金属柱一端与所述第二贴片22贴设并固定于所述第一介质基板20上，以实现所述金属支撑件413与所述第一介质基板20的相对固定，所述方形金属柱另一端与所述方形贴片411固定连接，以实现所述方形金属柱与所述方形贴片411的固定连接，具体地，在与所述方形贴片411平行的平面内，所述方形金属柱的截面积小于所述方形贴片411的面积，所述方形金属柱靠近所述磁电偶极子天线41对称中心的两条边与所述方形贴片411靠近所述磁电偶极子天线41对称中心的两条边平齐，如此，相邻两个所述方形金属柱的间距等于对应的相邻的两个所述方形贴片411之间的间距。

具体地，所述耦合槽31位于所述金属支撑件413之间并设置于所述磁电偶极子天线41的底部中心，所述耦合槽31的数量与所述磁电偶极子天线41的数量对应，每一所述耦合槽31一一对应给所述磁电偶极子天线41进行孔隙耦合激励，且所述耦合槽31的宽度小于所述金属支撑件413之间的间距，如此可以避免耦合槽31的宽度大于所述金属支撑件413之间的间距时，恶化所述耦合槽31的耦合强度。所述耦合槽31的宽度接近所述方形贴片411之间的间隙，且每个所述耦合槽31位于所述磁电偶极子天线41的底部中心位置，由于多个所述磁电偶极子天线41等间距设置，因此，多个所述耦合槽31也等间距设置，进一步地，在多个所述磁电偶极子天线41沿着所述第一方向A-A等间距排布时，所述耦合槽31沿着与所述第一方向A-A垂直的第二方向B-B延伸，且在所述第二方向B-B上，所述耦合槽31的长度小于两个所述方形贴片411的总长度，也即，所述耦合槽31位于所述磁电偶极子天线41所能遮盖的区域内，如此，所述磁电偶极子天线41能够获得最大的耦合能量。

请一并参阅图4-6，进一步地，所述电控可调装置50包括多个电控可调单元51，每一电控可调单元51包括：第一环形槽511(见图5)，所述第一环形槽511开设于所述第一贴片21上，所述第一环形槽511内设置有第一连接贴片512；第一变容二极管513，所述第一变容二极管513的阳极连接至所述第一贴片21，所述第一变容二极管513的阴极连接至所述第一连接贴片512；方形环槽514，所述方形环槽514开设于所述第一贴片21上，所述方形环槽514与所述第一环形槽511连通，且所述方形环槽514内设置有直流接触片515，所述直流接触片515与所述第一连接贴片512之间连接有电感516；第二环形槽517(见图6)，所述第二环形槽517开设于所述第二贴片22上，所述第二环形槽517内设置有第二连接贴片518；第二变容二极管519，所述第二变容二极管519的阳极连接至所述第二贴片22，所述第二变容二极管519的阴极连接至所述第二连接贴片518；第二金属化过孔520，所述第二金属化过孔520贯穿所述第一介质基板20，并连接所述第一连接贴片512与所述第二连接贴片518。

在本实施例中，如图5所示，所述电控可调单元51数量优选为4个，或者4个以上的偶数个数；4个所述电控可调单元51按照中心对称的方式设置以保证所述天线阵列40的辐射方向图的对称性；所述电控可调单元51通过在所述第一贴片21上开设有第一环形槽511以及方形环槽514，所述第一环形槽511与所述方形环槽514内分别设置有第一连接贴片512和直流接触片515，所述第一连接贴片512与直流接触片515之间通过所述电感516连接，所述电感516用于阻断射频信号对直流输入的影响，且所述方形环槽514的槽宽度应该尽可能的小，以减少不必要的辐射，所述第一变容二极管513跨接于所述第一连接贴片512与所述第一贴片21之间，且所述第一变容二极管513的跨接方向与多个所述磁电偶极子的排布方形也即第一方向A-A(也即矩形的所述第一介质基板20的长边延伸方向)相同，所述第一变容二极管513的阳极连接至所述第一贴片21，所述第一变容二极管513的阴极连接至所述第一连接贴片512。

同时，如图6所示，在所述第二贴片22上开设有所述第二环形槽517，且所述第二环形槽517内设置有第二连接贴片518，所述第二连接贴片518通过贯穿所述第一介质基板20的第二金属化过孔520与所述第一连接贴片512连接，所述第一环形槽511、第二环形槽517与所述第二金属化过孔520同心设置；所述第二变容二极管519跨接于所述第二连接贴片518与所述第二贴片22之间，且所述第二变容二极管519的跨接方向与多个所述磁电偶极子的排布方形也即第一方向A-A(也即矩形的所述第一介质基板20的长边延伸方向)相同；所述第二变容二极管519的阳极连接至所述第二贴片22，所述第二变容二极管519的阴极连接至所述第二连接贴片518。其中，所述直流接触片515用于给所述第一变容二极管513、第二变容二极管519提供直流偏置电压，多个所述电控可调单元51的直流接触片515之间通过直流导线相互连接，并共同连接至外部直流电源的正极，所述外部直流电源的负极与所述第一贴片21和/或第二贴片22连接，通过改变所述外部直流电源的电压大小，同一所述电控可调单元51中，所述第一变容二极管513和所述第二变容二极管519的等效电容同时发生变化；不同所述电控可调单元51中的第一变容二极管513和所述第二变容二极管519的等效电容也将同时发生变化。

在本实施例中，所述第一环形槽511和第二环形槽517优选为圆形且两者尺寸相等，所述方形环槽514优选为方形，在其他实施例中，所述第一环形槽511、第二环形槽517和所述方形环槽514可为其他形状，如第一环形槽511、第二环形槽517可以替换成方形环槽或者矩形环槽，所述方形环槽514可以替换成圆形环槽或者矩形环槽；本实施例对此不作限定。在其他实施例中，所述第二金属化过孔23也可以替换为同等尺寸的金属销钉。在其他实施例中，所述磁电偶极子天线41也可以是改进的其他变形形式。

请参阅图7，在另一实施例中，所述波束宽度可重构天线100还包括：第二介质基板60，所述方形贴片411设置于所述第二介质基板60面向所述第一介质基板20的表面上。

在本实施例中，所述第二介质基板60用于印制所述磁电偶极子天线41的方形贴片411，同时起到保护方形贴片411的作用，所述第二介质基板60与所述第一介质基板20层叠设置，所述方形金属柱以及方形贴片411设置于所述第一介质基板20与第二介质基板60之间，且优选地，所述方形贴片411以及所述十字形条带412设置于所述第二介质基板60面向所述第一介质基板20的表面上，可以理解，所述方形贴片411以及所述十字形条带412也可以设置于所述第二介质基板60背离所述第一介质基板20的表面上，此时，所述方形金属柱以及所述第二介质基板60位于所述第一介质基板20以及所述方形贴片411之间，或者，可以直接将所述第二介质基板60省去，通过使用尽量薄厚度的金属片形成所述方形贴片411以及所述十字形条带412，并设置于所述方形金属柱上。

请参阅图3，进一步地，所述第一介质基板20上还开设有第一馈电端口(图未示)和第二馈电端口(图未示)，所述第一馈电端口和第二馈电端口均插设有射频输入接头70，所述射频输入接头70通过所述第一馈电端口和第二馈电端口对所述基片集成波导谐振腔30进行差分馈电。

在本实施例中，所述第一馈电端口和第二馈电端口关于所述阵列天线的中轴线对称，两个所述射频输入接头70的内导体(图未示)分别穿过所述第一馈电端口和第二馈电端口的金属化过孔(图未示)，与所述第二贴片22连接；所述射频输入接头70的外导体(图未示)与所述第一贴片21连接。为了得到对称的辐射方向图，所述射频输入接头70的两个端口分别提供幅度相等、相位相差180°的射频信号，以通过差分馈电的方式激励所述基片集成波导谐振腔30，进而通过所述耦合槽31对其上方的所述磁电偶极子天线41进行孔径耦合激励。

请参阅图2-4，进一步地，多个所述磁电偶极子天线41至少包括第一磁电偶极子天线41A、第二磁电偶极子天线41B和第三磁电偶极子天线41C，所述第二磁电偶极子天线41B位于所述第一磁电偶极子天线41A和第三磁电偶极子天线41C之间；所述电控可调单元51的数量为4个，4个所述电控可调单元51两个为两组，其中一组所述电控可调单元51设置于所述第一磁电偶极子天线41A和第二磁电偶极子天线41B之间，另外一组所述电控可调单元51设置于所述第二磁电偶极子天线41B和第三磁电偶极子天线41C之间，所述第一馈电端口以及所述第二馈电端口位于两组所述电控可调单元51之间。

在本实施例中，多个所述磁电偶极子天线41包括第一磁电偶极子天线41A、第二磁电偶极子天线41B和第三磁电偶极子天线41C，所述第一磁电偶极子天线41A、第二磁电偶极子天线41B和第三磁电偶极子天线41C沿着上述第一方向A-A排状设置，且所述第二磁电偶极子天线41B位于所述第一磁电偶极子天线41A和第三磁电偶极子天线41C之间；而所述电控可调单元51的数量为4个，4个所述电控可调单元51两个为两组，其中一组所述电控可调单元51设置于所述第一磁电偶极子天线41A和第二磁电偶极子天线41B之间，另外一组所述电控可调单元51设置于所述第二磁电偶极子天线41B和第三磁电偶极子天线41C之间，由于所述第一磁电偶极子天线41A、第二磁电偶极子天线41B和第三磁电偶极子天线41C的底部中心均开设有所述耦合槽31，因此，每组所述电控可调单元51布置在相邻两个所述耦合槽31之间。

进一步地，所述第二磁电偶极子天线41B的中轴线与所述第一介质基板20的中轴线重合；4个所述电控可调单元51关于所述第一介质基板20的中轴线对称设置；所述第一馈电端口与所述第二馈电端口关于所述第一介质基板20的中轴线对称设置。

在本实施例中，所述第二磁电偶极子天线41B的中轴线与所述第一介质基板20的中轴线重合，由于所述第一磁电偶极子天线41A、第二磁电偶极子天线41B和第三磁电偶极子天线41C沿着上述第一方向A-A等间距排状设置，因此，所述天线阵列40整体的中轴线也与所述以及第一介质基板20的中轴线重合；4个所述电控可调单元51关于所述第一介质基板20的中轴线对称设置，也即，4个所述电控可调单元51的整体中心位于所述第一介质基板20的中轴线上，4个所述电控可调单元51按照中心对称的方式设置，以保证所述天线阵列40的辐射方向图的对称性

在本实施例中，所述第一馈电端口与所述第二馈电端口关于所述第一介质基板20的中轴线对称设置，也即，所述第一馈电端口与所述第二馈电端口的整体中心位于所述第一介质基板20的中轴线上，所述第一馈电端口与所述第二馈电端口之间的距离小于两组所述电控可调单元51之间的距离。当所述波束宽度可重构天线100还包括第二介质基板60时，所述第二介质基板60的中轴线与所述第一介质基板20的中轴线重合，通过上述限定，保证所述波束宽度可重构天线100的辐射方向图的对称性。

请一并参阅图3-4，进一步地，所述波束宽度可重构天线100还包括第一固定件80和第二固定件90，所述第二固定件90为塑料材质；所述方形贴片411上开设有至少一贴片固定孔(图未示)，所述金属支撑件413靠近所述方形贴片411的一端开设有第一固定孔(图未示)，所述第一固定件80依次穿过所述贴片固定孔以及所述第一固定孔，以将所述方形贴片411固定于所述金属支撑件413上；所述金属支撑件413靠近所述第一介质基板20的一端开设有至少两个第二固定孔(图未示)，所述第一介质基板20开设有基板固定孔(图未示)，所述第二固定件90依次穿过所述基板固定孔以及所述第二固定孔，以将所述金属支撑件413固定于所述第一介质基板20上。

在本实施例中，所述第一固定孔以及所述第二固定孔的深度小于等于所述方形金属柱的高度，且内部设有螺纹；所述第一固定件80可为螺丝或者螺栓等，其材质可以是金属或者塑料，所述第二固定件90可为塑料螺丝或者塑料螺栓等，通过将所述第一固定件80依次穿过所述方形贴片411上开设的贴片固定孔以及所述方形金属柱上端的第一固定孔，以将所述方形贴片411固定于所述方形金属柱上，其中，所述第一固定件80深入所述第一固定孔的长度小于或者等于所述第一固定孔的深度。

在本实施例中，通过在所述金属支撑件413靠近所述第一介质基板20的一端，也即所述方形金属柱的底端开设有至少两个第二固定孔，在所述第一介质基板20开设有所述基板固定孔，所述基板固定孔的数量及位置与所述第二固定孔对应，可以理解，所述第一贴片21与所述第二贴片22上也开有相应的孔位，以供所述第二固定件90依次穿过所述第一贴片21、基板固定孔、第二贴片22以及所述第二固定孔，以将所述金属支撑件413固定于所述第一介质基板20上。其中，所述第二固定件90为塑料材质，可以避免使用金属材质对所述基片集成波导谐振腔30内的电磁场产生干扰。

请参阅图3，进一步地，所述第一磁电偶极子天线41A以及所述第三磁电偶极子天线41C中，所述至少两个第二固定孔沿着所述方形贴片411的对角线方向排布；在所述第二磁电偶极子天线41B中，所述至少两个第二固定孔沿着所述方形贴片411的边长方向排布，在所述第二固定件90依次穿过所述基板固定孔以及所述第二固定孔后，位于不同的金属支撑件413上的所述第二固定件90给所述射频输入接头70让出安装空间。

在本实施例中，所述第一磁电偶极子天线41A以及所述第三磁电偶极子天线41C的下方位置不用设置射频输入接头70，因此，在所述第一磁电偶极子天线41A以及所述第三磁电偶极子天线41C中，所述至少两个第二固定孔沿着所述方形贴片411的对角线方向排布，如此可以增加所述方形金属柱与所述第一介质基板20的连接稳固性；由于所述第二磁电偶极子天线41A的下方位置需要设置所述射频输入接头70，因此，在所述第二磁电偶极子天线41B中，所述至少两个第二固定孔沿着所述方形贴片411的边长方向(也即所述第一方向A-A)排布，以使所述第二固定件90依次穿过所述基板固定孔以及所述第二固定孔后，位于不同的金属支撑件413上的所述第二固定件90给所述射频输入接头70让出安装空间，方便所述射频输入接头70安装。

综上所述，以所述耦合槽31以及所述磁电偶极子的数量为3个，所述电控可调单元51数量为4个来说明本发明的所述波束宽度可重构天线100的工作原理：通过合理设置三个所述耦合槽31的大小、间距以及基片集成波导谐振腔30的大小，3个所述磁电偶极子天线41可以被看作一个三单元的天线阵列40；此时，基片集成波导谐振腔30中能够激励起TE₁₆₀模式，也就是说，每个耦合槽31将所述基片集成波导谐振腔30中的电磁能量耦合到所述天线阵列40上；为了能够改变每个所述磁电偶极子天线41的激励幅度和相位，在所述基片集成波导谐振腔30中布置4个所述电控可调单元51；所述电控可调单元51两两一组，对称地布置于相邻的耦合槽31之间，对所述基片集成波导谐振腔30301中的电场分布进行微扰；所述电控可调单元51的具体位置可以通过仿真软件进行优化；通过改变施加于所述电控可调单元51的电压来改变所述基片集成波导谐振腔30中的场分布，并利用所述基片集成波导谐振腔30上表面开设的三个耦合槽31分别对三个所述磁电偶极子天线41进行孔径耦合馈电，从而使得所述天线阵列40的激励幅度和相位可以被有效地调节，因此，所述天线阵列40的综合方向图的波束宽度可以从较小的角度动态地变化为较大的角度，所述波束宽度可重构天线100结构简单，不需要复杂的馈电网络，具有较宽的频带宽度，稳定的方向图，仅通过一个直流电压信号即可控制其波束宽度的连续变化，因此非常适用于移动通信系统中对覆盖区域范围有灵活变化需求的应用。

以下结合实验对所述贴片天性特性做进一步说明：

请一并参照图1-8，实验中，以中心频率为2.5GHz的磁电偶极子天线41为例，优化后的最优尺寸如下：所述第二介质基板20厚度为0.787mm，其介电常数为2.33；所述第一介质基板20的厚度为3.175mm，其介电常数为2.33；所述方形金属柱的高度为18.8mm；所述盒型壳体10的高度为30mm；所有第二金属化过孔520的直径均为0.8mm；所述第一形环槽、第二环形槽517的内径为1.7mm、外径为4.6mm。

其他尺寸标注如下：所述第一介质基板20的长度Lg＝242mm、宽度Wg＝130mm；所述基片集成波导谐振腔30的长度Lc＝182mm、宽度Wc＝68mm；所述方形贴片411的边长L＝18.8mm、相邻所述方形贴片411的缝隙宽度S＝4.8mm；所述十字形条带412的宽度P＝1.4mm；所述方形金属柱的边长W＝9.4mm；所述耦合槽31的长度Ls＝41mm、宽度Ws＝4mm；所述电控可调单元51沿着所述第一方向A-A的间距D1＝16mm；所述电控可调单元51与中间位置的所述耦合槽31的距离D2＝33mm；相邻两个所述耦合3之间的距离D3＝58mm；所述第一金属化过孔23的直径dv＝0.8mm、相邻所述第一金属化过孔23之间的间距Sv＝1.6mm。

请参照图9，图9是本实施例中所述波束宽度可重构天线100的回波损耗和增益的仿真和实测结果图。从图中的实测结果可以看出，该天线具有19.6％(2.26～2.75GHz)的阻抗带宽，比仿真稍微宽一点。当第一变容二极管513和第二变容二极管519的电容从1.1pF变化到2.1pF时，频带内增益从11.1±2.0dBi变化为7.4±2.4dBi。增益发生较大的改变，是由于该天线的波束宽度发生了巨大的变化。

请参照图10，图10是本实施例中波束宽度可重构天线100在不同电容值情况下2.4GHz、2.5GHz和2.6GHz处的第一竖直平面例如XOY平面内的仿真和实测辐射方向图。从图中的结果可以看出，当改变第一变容二极管513和第二变容二极管519的电容值从1.1pF变化到2.1pF时，该天线在频带内第一竖直平面的平均半功率波束宽度保持在56°左右不变。

请参照图11，图11是本实施例中波束宽度可重构天线100在不同电容值情况下2.4GHz、2.5GHz和2.6GHz处的第二竖直平面(该第二竖直平面与所述第一竖直平面垂直)例如YOZ平面内的仿真和实测辐射方向图。从图中的结果可以看出，当第一变容二极管513和第二变容二极管519的电容值从1.1pF变化到2.1pF时，该天线在频带内第二竖直平面的平均半功率波束宽度可以连续地从39°变为107°。实测的交叉极化电平之所以高于仿真的数值，是因为在实际测量中使用了暴露在辐射场内的180°混合耦合器和电缆来对该天线进行差分馈电，因而对该天线的交叉极化性能产生不利的影响；同时，耦合器的相位误差也会导致其进一步恶化。

由以上实验可知，本发明提出的波束宽度可重构天线100只需要使用一路直流电压信号，即可对该天线的辐射方向图的波束宽度在较大的范围内进行连续的调节，而且在施加不同的电压情况下仍然保证了较宽的频带宽度，同时具有精度高、结构简单、易于控制的优点，尤其适用于移动通信中的基站系统中。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种波束宽度可重构天线，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体内形成有反射腔；

第一介质基板，所述第一介质基板设置于所述反射腔内，且所述第一介质基板上形成有基片集成波导谐振腔以及多个耦合槽；

天线阵列，所述天线阵列设置于所述第一介质基板上，所述耦合槽用于将所述基片集成波导谐振腔中的电磁能量耦合到所述天线阵列；

电控可调装置，所述电控可调装置设置于所述第一介质基板上，所述电控可调装置用于对所述基片集成波导谐振腔中的电场进行微扰。

2.如权利要求1所述的波束宽度可重构天线，其特征在于，

所述第一介质基板相背的两个表面上分别设置有第一贴片和第二贴片，所述第一介质基板中还设有环状设置的多个第一金属化过孔，多个所述第一金属化过孔与所述第一贴片、第二贴片形成所述基片集成波导谐振腔；

其中，所述第二贴片面向所述天线阵列，多个所述耦合槽开设于所述第二贴片上。

3.如权利要求1所述的波束宽度可重构天线，其特征在于，所述天线阵列包括多个磁电偶极子天线，多个所述磁电偶极子天线等间距设置，且相邻所述磁电偶极子天线之间的间距接近所述磁电偶极子天线的中心频率对应波长的二分之一，每一所述磁电偶极子天线包括：

4个方形贴片，4个所述方形贴片阵列排布且相互之间留有缝隙；

十字形条带，所述十字形条带包括四条连接臂，四条所述连接臂呈十字形连接设置，且4个所述连接臂分别一一对应连接至4个所述方形贴片相互靠近的4个角位置；

4个金属支撑件，4个所述金属支撑件一端与所述第二贴片贴设并固定于所述第一介质基板上，4个所述金属支撑件另一端一一对应与所述方形贴片固定连接；

其中，所述耦合槽位于所述金属支撑件之间，且所述耦合槽的宽度小于所述金属支撑件之间的间距。

4.如权利要求3所述的波束宽度可重构天线，其特征在于，所述电控可调装置包括多个电控可调单元，每一电控可调单元包括：

第一环形槽，所述第一环形槽开设于所述第一贴片上，所述第一环形槽内设置有第一连接贴片；

第一变容二极管，所述第一变容二极管的阳极连接至所述第一贴片，所述第一变容二极管的阴极连接至所述第一连接贴片；

方形环槽，所述方形环槽开设于所述第一贴片上，所述方形环槽与所述第一环形槽连通，且所述方形环槽内设置有直流接触片，所述直流接触片与所述第一连接贴片之间连接有电感；

第二环形槽，所述第二环形槽开设于所述第二贴片上，所述第二环形槽内设置有第二连接贴片；

第二变容二极管，所述第二变容二极管的阳极连接至所述第二贴片，所述第二变容二极管的阴极连接至所述第二连接贴片；

第二金属化过孔，所述第二金属化过孔贯穿所述第一介质基板，并连接所述第一连接贴片与所述第二连接贴片。

5.如权利要求3所述的波束宽度可重构天线，其特征在于，所述波束宽度可重构天线还包括：

第二介质基板，所述方形贴片设置于所述第二介质基板面向所述第一介质基板的表面上。

6.如权利要求4所述的波束宽度可重构天线，其特征在于，所述第一介质基板上还开设有第一馈电端口和第二馈电端口，所述第一馈电端口和第二馈电端口均插设有射频输入接头，所述射频输入接头通过所述第一馈电端口和第二馈电端口对所述基片集成波导谐振腔进行差分馈电。

7.如权利要求6所述的波束宽度可重构天线，其特征在于，

多个所述磁电偶极子天线至少包括第一磁电偶极子天线、第二磁电偶极子天线和第三磁电偶极子天线，所述第二磁电偶极子天线位于所述第一磁电偶极子天线和第三磁电偶极子天线之间；

所述电控可调单元的数量为4个，4个所述电控可调单元两个为两组，其中一组所述电控可调单元设置于所述第一磁电偶极子天线和第二磁电偶极子天线之间，另外一组所述电控可调单元设置于所述第二磁电偶极子天线和第三磁电偶极子天线之间，所述第一馈电端口以及所述第二馈电端口位于两组所述电控可调单元之间。

8.如权利要求7所述的波束宽度可重构天线，其特征在于，

所述第二磁电偶极子天线的中轴线与所述第一介质基板的中轴线重合；

4个所述电控可调单元关于所述第一介质基板的中轴线对称设置；

所述第一馈电端口与所述第二馈电端口关于所述第一介质基板的中轴线对称设置。

9.如权利要求7所述的波束宽度可重构天线，其特征在于，所述波束宽度可重构天线还包括第一固定件和第二固定件，所述第二固定件为塑料材质；

所述方形贴片上开设有至少一贴片固定孔，所述金属支撑件靠近所述方形贴片的一端开设有第一固定孔，所述第一固定件依次穿过所述贴片固定孔以及所述第一固定孔，以将所述方形贴片固定于所述金属支撑件上；

所述金属支撑件靠近所述第一介质基板的一端开设有至少两个第二固定孔，所述第一介质基板开设有基板固定孔，所述第二固定件依次穿过所述基板固定孔以及第二固定孔，以将所述金属支撑件固定于所述第一介质基板上。

10.如权利要求9所述的波束宽度可重构天线，其特征在于，所述第一磁电偶极子天线以及所述第三磁电偶极子天线中，所述至少两个第二固定孔沿着所述方形贴片的对角线方向排布；

在所述第二磁电偶极子天线中，所述至少两个第二固定孔沿着所述方形贴片的边长方向排布，在所述第二固定件依次穿过所述基板固定孔以及所述第二固定孔后，位于不同的金属支撑件上的所述第二固定件给所述射频输入接头让出安装空间。

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