CN112563739A - 一种小型化电调多极化重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种小型化电调多极化重构天线，包括有圆形的第一介质基板，第一介质基板上表面印制有圆环形的寄生辐射片；第一介质基板下方设置有正方形的第二介质基板，第二介质基板与第一介质基板之间间隔有空气层；第二介质基板的上表面印制有馈电网络和圆环形的主辐射片，馈电网络与主辐射片连接；第二介质基板的下表面印制有接地金属板，接地金属板与第二介质基板的形状大小均相同。该小型化电调多极化重构天线，采用电子调节方式实现左旋圆极化、右旋圆极化、+45°线极化、‑45°线极化电磁波的接收和发射，并简化天线的馈电结构，增强天线的功能性和集成化程度。

Description

一种小型化电调多极化重构天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种小型化电调多极化重构天线。
背景技术
在无线通信系统中，天线作为重要的接收和发射电磁波的器件，其对恶劣电磁环境的适应性在很大程度上决定了整个通信系统对环境的适应性。为了较好的适应复杂多变的无线电磁环境，可重构天线应运而生，其通过改变工作状态中的重要电特性参数，如：极化、频率、方向图等，可以增强通信系统的鲁棒性。极化可重构天线是通过在共用的天线辐射口径的基础上实现不同的极化切换的天线。将圆极化技术与可重构天线技术相结合，在同一副天线上实现左旋圆和右旋圆的极化特性转换，以达到增加频率复用、消除多径衰落效应和提高频谱利用率的作用。在重构天线设计中，通常使用机械旋转，加载光学设备，加载电子开关和可控超材料实现极化可重构性。在这些方法中，电调控的方法具有调节速度快、损耗低、精度高的优点。但是这些电调控重构天线容易造成天线结构复杂和尺寸增大等问题，为了满足无线通信系统的多功能、小型化和集成化和的发展要求，本发明提出了一种新型在共用的天线辐射口径上实现四种极化状态切换的小型化、集成化电调可重构天线。
发明内容
本发明的目的是提供一种小型化电调多极化重构天线，采用电子调节方式实现左旋圆极化、右旋圆极化、+45°线极化、-45°线极化电磁波的接收和发射，并简化天线的馈电结构，增强天线的功能性和集成化程度。
本发明所采用的技术方案是，一种小型化电调多极化重构天线，包括有圆形的第一介质基板，第一介质基板上表面印制有圆环形的寄生辐射片；第一介质基板下方设置有正方形的第二介质基板，第二介质基板与第一介质基板之间间隔有空气层；第二介质基板的上表面印制有馈电网络和圆环形的主辐射片，馈电网络与主辐射片连接；第二介质基板的下表面印制有接地金属板，接地金属板与第二介质基板的形状大小均相同。
本发明的特征还在于，
馈电网络由六段微带线和八个PIN射频开关组成，具体为：包括有第一微带线，第一微带线的第一端为射频信号输入端口，第一微带线第二端的左右两侧分别设置有第二微带线及第三微带线，第二微带线及第三微带线的第一端与第一微带线的第二端连接，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，第二微带线的第一端与第一微带线的第二端之间的缝隙设置有第一PIN射频开关，第三微带线的一端与第一微带线的第二端之间的缝隙设置有第二PIN射频开关；还包括有第四微带线，其首尾两端进行弯折成90°夹角后与主辐射片相连接，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，一个缝隙设置有第七PIN射频开关，另一个缝隙设置有第八PIN射频开关；第二微带线及第三微带线的第二端均与第四微带线的线体连接，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，第二微带线的第二端与第四微带线的线体之间的缝隙设置有第三PIN射频开关，第三微带线的第二端与第四微带线的线体之间的缝隙设置有第四PIN射频开关；第四微带线的线体上还连接有第五微带线和第六微带线，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，第五微带线一端端部与第四微带线的线体之间的缝隙设置有第五PIN射频开关，第六微带线一端端部与第四微带线之间的缝隙设置有第六PIN射频开关；第二微带线及第三微带线位于第五微带线与第六微带线之间。
第一微带线、第二微带线及第三微带线的特性阻抗均为50欧姆，第四微带线、第五微带线及第六微带线特性阻抗为100欧姆。
第一介质基板采用相对介电常数为4.4、厚度为0.8mm的圆形介质材料，其半径为27.1mm。
寄生辐射片为内径R2＝5.2mm，外径R1＝27.1mm的圆环形。
第二介质基板采用相对介电常数为3.5、厚度为1mm的正方形介质材料，其边长为70mm。
主辐射片为内径为8.8mm，外径为14.1mm的圆环形。
空气层的厚度为5mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明天线在同一天线口径下实现了左旋圆极化、右旋圆极化特性、+45°线极化、-45°线极化，具有圆极化可重构功能、线极化的可重构功能、线极化与圆极化间的可重构功能。
(2)本发明天线形采用电调的方式形成多种极化重构功能。具有切换速度快、损耗小、简单易操作等特性。
(3)本发明天线中的馈电网络中集成了PIN射频开关且馈电网络结构复杂度相比于其他多极化重构天线有很大程度降低，整个天线可以基于印刷电路板技术实现，易于加工和集成。
附图说明
图1是本发明实施例中天线的三维结构示意图；
图2是本发明实施例中馈电网络示意图；
图3是本发明实施例中天线的反射系数曲线仿真结果；
图4是本发明实施例中天线的轴比曲线仿真结果；
图5是本发明实施例中天线在模式三工作时的表面电流分布；
图6是本发明实施例中天线在模式四工作时的表面电流分布。
图中，1.第一介质基板，2.寄生辐射片，3.第二介质板，4.主辐射片，5.馈电网络，6.金属地板，7.PIN射频开关；
51.第一微带线，52.第二微带线，53.第三微带线，54.第四微带线，55.第五微带线，56.第六微带线；
71.第一PIN射频开关，72.第二PIN射频开关，73.第三PIN射频开关，74.第四PIN射频开关，75.第五PIN射频开关，76.第六PIN射频开关，77.第七PIN射频开关，78.第八PIN射频开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例
一种小型化电调多极化重构天线，如图1-2所示，包括有圆形的第一介质基板1，第一介质基板1上表面印制有圆环形的寄生辐射片2；第一介质基板1下方设置有正方形的第二介质基板3，第二介质基板3与第一介质基板1之间间隔有空气层；第二介质基板3的上表面印制有馈电网络5和圆环形的主辐射片4，馈电网络5与主辐射片4连接；第二介质基板3的下表面印制有接地金属板6，接地金属板6与第二介质基板3的形状大小均相同。
第一介质基板1采用相对介电常数为4.4、厚度为0.8mm的圆形介质材料，其半径为27.1mm。
寄生辐射片2为内径R2＝5.2mm，外径R1＝27.1mm的圆环形。
第二介质基板3采用相对介电常数为3.5、厚度为1mm的正方形介质材料，其边长为70mm。
主辐射片4为内径为8.8mm，外径为14.1mm的圆环形。
空气层的厚度为5mm。
馈电网络5由六段微带线和八个PIN射频开关7组成，具体为：包括有第一微带线51，第一微带线51的第一端(PI端)为射频信号输入端口，第一微带线51第二端的左右两侧分别设置有第二微带线52及第三微带线53，第二微带线52及第三微带线53的第一端与第一微带线51的第二端连接，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，第二微带线52的第一端与第一微带线51的第二端之间的缝隙设置有第一PIN射频开关71，第三微带线53的一端与第一微带线51的第二端之间的缝隙设置有第二PIN射频开关72；还包括有第四微带线54，其首尾两端进行弯折成90°夹角后与主辐射片4相连接，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，一个缝隙设置有第七PIN射频开关77，另一个缝隙设置有第八PIN射频开关78；第二微带线52及第三微带线53的第二端均与第四微带线54的线体连接，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，第二微带线52的第二端与第四微带线54的线体之间的缝隙设置有第三PIN射频开关73，第三微带线53的第二端与第四微带线54的线体之间的缝隙设置有第四PIN射频开关74；第四微带线54的线体上还连接有第五微带线55和第六微带线56，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，第五微带线55一端端部与第四微带线54的线体之间的缝隙设置有第五PIN射频开关75，第六微带线56一端端部与第四微带线54之间的缝隙设置有第六PIN射频开关76；第二微带线52及第三微带线53位于第五微带线55与第六微带线56之间。
第一微带线51、第二微带线52及第三微带线53的特性阻抗均为50欧姆，第四微带线54、第五微带线55及第六微带线56特性阻抗为100欧姆；第四微带线54底部微带线长度L2＝24.2mm，第一微带线51、第二微带线52、第三微带线53的宽带均为2.2mm；第四微带线54、第五微带线55、第六微带线56的宽带均为0.55mm。
第一PIN射频开关71和第三PIN射频开关73之间的距离为14.5mm，约等于λg/4(λg为2.45GHz对应的工作波长)。第五微带线55与第六微带线56的长度为10mm。通过控制八个PIN射频开关7的通断，可以控制馈电网络5输出两路输出信号的相位差为90°或-90°，实现激励左旋或右旋的圆极化波束。通过控制射频开关的通断，可以控制馈电网络输出的一路+45°的线极化输出信号或-45°的线极化输出信号，实现激励±45°的线极化电磁波束。
如图2所示，八个PIN射频开关7的通断调控天线的激励电磁波的极化状态，具体方式如下：
模式一：第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第七PIN射频开关77、第八PIN射频开关78导通；第二PIN射频开关72、第四PIN射频开关74、第五PIN射频开关75、第六PIN射频开关76截止。此模式激励左旋圆极化电磁波。
模式二：第二PIN射频开关72、第四PIN射频开关74、第七PIN射频开关77、第八PIN射频开关78导通；第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第五PIN射频开关75、第六PIN射频开关76截止。此模式激励右旋圆极化电磁波。
模式三：第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第五PIN射频开关75、第七PIN射频开关77导通；第二PIN射频开关72、第四PIN射频开关74、第六PIN射频开关76、第八PIN射频开关78截止。此模式激励-45°线极化电磁波。
模式四：第二PIN射频开关72、第四PIN射频开关74、第六PIN射频开关76、第八PIN射频开关78导通；第一PIN射频开关71、第三PIN射频开关73、第五PIN射频开关75、第七PIN射频开关77截止。此模式激励+45°线极化电磁波。
综上所述，通过改变八个PIN射频开关7的通断状态可以实现左旋圆极化、右旋圆极化特性、-45°线极化和+45°线极化间的自由快速切换。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
如图3所示，当工作在左旋圆极化及右旋圆极化状态时，实施例中天线在2.25GHz～2.61GHz频率范围内的反射系数小于-10dB；当天线工作在-45°线极化和+45°线极化的状态时，实施例中2.28GHz～2.55GHz频率范围内的反射系数小于-10dB。
如图4所示，天线工作在模式一和模式二状态时，2.35GHz～2.56GHz频率范围内的轴比小于3dB。
如图5所示，当天线工作在模式三时，寄生辐射片2上的矢量电流沿-45°倾斜，显示此时激励的为-45°的线极化电磁波。
图6所示，当天线工作在模式四时，寄生辐射片2上的矢量电流沿+45°倾斜，显示此时激励的为+45°的线极化电磁波。
以上结果表明本发明的天线能够实现多种极化形式的可重构功能，具有良好的阻抗匹配和定向辐射特性。本实施例天线结构简单，尺寸小，易于集成与加工，较好的解决了多极化重构时天线结构复杂和尺寸增大等问题。

Claims (8)

1.一种小型化电调多极化重构天线，其特征在于，包括有圆形的第一介质基板(1)，第一介质基板(1)上表面印制有圆环形的寄生辐射片(2)；第一介质基板(1)下方设置有正方形的第二介质基板(3)，第二介质基板(3)与第一介质基板(1)之间间隔有空气层；第二介质基板(3)的上表面印制有馈电网络(5)和圆环形的主辐射片(4)，馈电网络(5)与主辐射片(4)连接；第二介质基板(3)的下表面印制有接地金属板(6)，接地金属板(6)与第二介质基板(3)的形状大小均相同。
2.根据权利要求1所述的一种小型化电调多极化重构天线，其特征在于，所述馈电网络(5)由六段微带线和八个PIN射频开关组成，具体为：包括有第一微带线(51)，第一微带线(51)的第一端为射频信号输入端口，第一微带线(51)第二端的左右两侧分别设置有第二微带线(52)及第三微带线(53)，第二微带线(52)及第三微带线(53)的第一端与第一微带线(51)的第二端连接，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，第二微带线(52)的第一端与第一微带线(51)的第二端之间的缝隙设置有第一PIN射频开关(71)，第三微带线(53)的一端与第一微带线(51)的第二端之间的缝隙设置有第二PIN射频开关(72)；还包括有第四微带线(54)，其首尾两端进行弯折成90°夹角后与主辐射片(4)相连接，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，一个缝隙设置有第七PIN射频开关(77)，另一个缝隙设置有第八PIN射频开关(78)；第二微带线(52)及第三微带线(53)的第二端均与第四微带线(54)的线体连接，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，第二微带线(52)的第二端与第四微带线(54)的线体之间的缝隙设置有第三PIN射频开关(73)，第三微带线(53)的第二端与第四微带线(54)的线体之间的缝隙设置有第四PIN射频开关(74)；第四微带线(54)的线体上还连接有第五微带线(55)和第六微带线(56)，两个连接处均蚀刻有一定缝隙，第五微带线(55)一端端部与第四微带线(54)的线体之间的缝隙设置有第五PIN射频开关(75)，第六微带线(56)一端端部与第四微带线(54)之间的缝隙设置有第六PIN射频开关(76)；第二微带线(52)及第三微带线(53)位于第五微带线(55)与第六微带线(56)之间。
3.根据权利要求2所述的一种小型化电调多极化重构天线，其特征在于，所述第一微带线(51)、第二微带线(52)及第三微带线(53)的特性阻抗均为50欧姆，第四微带线(54)、第五微带线(55)及第六微带线(56)特性阻抗为100欧姆。
4.根据权利要求1所述的一种小型化电调多极化重构天线，其特征在于，所述第一介质基板(1)采用相对介电常数为4.4、厚度为0.8mm的圆形介质材料，其半径为27.1mm。
5.根据权利要求1所述的一种小型化电调多极化重构天线，其特征在于，所述寄生辐射片(2)为内径R2＝5.2mm，外径R1＝27.1mm的圆环形。
6.根据权利要求1所述的一种小型化电调多极化重构天线，其特征在于，所述第二介质基板(3)采用相对介电常数为3.5、厚度为1mm的正方形介质材料，其边长为70mm。
7.根据权利要求1所述的一种小型化电调多极化重构天线，其特征在于，所述主辐射片(4)为内径为8.8mm，外径为14.1mm的圆环形。
8.根据权利要求1所述的一种小型化电调多极化重构天线，其特征在于，所述空气层的厚度为5mm。
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