CN112615149B - 一种低剖面宽带高增益方向图机械可调天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面宽带高增益方向图机械可调天线，在天线第一介质基板上表面印制周期表面覆层，第二介质基板上表面印制刻蚀有矩形激励缝隙的金属接地板。第二介质基板与第一介质基板上下堆叠，矩形微带馈线印制在第二介质基板下表面，微带馈线通过矩形激励缝隙对天线的辐射贴片进行耦合馈电。通过机械移动介质基板位置，可以实现天线辐射方向图主波束指向的改变。本发明可以方便的通过机械移动改变天线的辐射方向图，解决了高增益天线辐射方向图性能固定、带宽窄机械扫描天线剖面较高的问题，可应用于无线通信。

Description

一种低剖面宽带高增益方向图机械可调天线

技术领域

本发明属于电子技术领域，本发明涉及一种低剖面宽带方向图可调天线设计，具体地说是一种基于机械移动方式的周期表面覆层方向图可调天线的设计，可以应用于无线通信系统。

背景技术

高增益定向天线在无线通信领域具有广泛的应用。相比于采用低增益全向天线的通信系统，采用高增益定向天线的通信系统发射功率更低、具有较强的抗干扰能力。

现有的基于相控阵原理的平板天线能够实现高增益的波束扫描，但是其体积大、结构复杂、成本高。基于机械伺服结构的天线也能实现高增益波束扫面，但是伺服结构往往笨重且复杂。

因此本发明提出了一种基于机械方向图可重构技术的天线，该天线可以根据信号覆盖的需要，灵活地改变方向图的指向和形状，有助于提高信号覆盖的质量。本发明中所属的天线具有工作带宽大、增益高、结构紧凑简单、成本低廉和波束灵活可调等特性，从而降低波束扫描天线的加工成本。

发明内容

为了解决上述现有天线设计中存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有工作带宽大、增益高、结构紧凑简单、成本低廉和波束灵活可调等特性的天线。本发明基于机械移动的低剖面宽带方向图可调天线，通过采用缝隙天线与覆层结构的合理加载技术，有效降低了高增益天线的剖面，同时多个谐振模式的产生展宽了天线工作带宽。通过机械移动的方式，实现了天线方向图的调控设计。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种低剖面宽带高增益方向图机械可调天线，包括：

第一介质基板，上表面印制有呈周期排布的周期表面覆层；

所述周期排布的周期表面覆层为呈N×N周期排布的正方形金属贴片单元，每个金属贴片单元尺寸相同，相邻金属贴片单元间隔距离相同；

第二介质基板，上表面印制刻蚀有矩形激励缝隙的金属接地板，下表面印制有微带馈线；

第一介质基板与第二介质基板上下堆叠，通过改变第一介质基板和第二介质基板的相对位置使得天线的最大辐射方向指向发生改变。

作为优选，所述第二介质基板的长度大于第一介质基板的长度，改变第一介质基板和第二介质基板的相对位置为第一介质基板沿第二介质基板长度方向移动。

作为优选，所述正方形金属贴片单元数量可以为4，5或6。

作为优选，当第一介质基板与第二介质基板中心线重合，天线最大辐射方向与介质基板垂直；

当第一介质基板沿第二介质基板中心线长度方向偏移，使得第二介质基板上的矩形激励缝隙的投影位于周期排布的周期表面覆层第三排和第四排正方形金属贴片单元之间时，天线最大辐射方向指向-30°；

当第一介质基板沿第二介质基板中心线长度方向偏移，使得第二介质基板上的矩形激励缝隙的投影位于周期排布的周期表面覆层第一排和第二排正方形金属贴片单元之间时，天线最大辐射方向指向+30°。

作为优选，所述天线设计的中心工作频率为3.8GHz；在天线最大辐射方向与介质基板垂直模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.39GHz-4.19GHz；在天线最大辐射方向指向-30°模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.41GHz-4.16GHz；在天线最大辐射方向指向+30°模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.41GHz-4.15GHz。

作为优选，所述微带馈线为矩形，沿第二介质基板的长度方向布置，一边与第二介质基板对齐，另一边延伸至第二介质基板中心处。

作为优选，所述矩形激励缝隙位于金属接地板中心，且与微带馈线布置方向垂直。

作为优选，第一介质基板与第二介质基板上的印制板之间无金属过孔相连。

作为优选，第一介质基板与第二介质基板均为平面结构。

本发明通过微带馈线激励缝隙，进一步耦合激励上层周期表面覆层产生相应电场来实现定向辐射。

与现有的技术相比，本发明具有如下优点：

本发明由于采用了周期表面覆层作为天线的主辐射器，并通过位于下方紧密贴合的微带馈线激励其工作，实现了高增益辐射，并保持了很低的剖面。

本发明由于采用了周期表面覆层，同时激励其多个谐振模式，有效展宽了天线工作频段。

本发明由于采用微带馈线和耦合缝隙激励周期表面辐射，并通过改变第一介质基板和第二介质基板的相对位置，达到了天线方向图的灵活调控。

本发明采用移动介质基板位置的方法实现天线方向图的可调，不依赖于开关或是二极管等电子元件，不依赖于天线阵面机械旋转，结构简单、厚度小、可靠性高。

本发明由于采用印刷天线的结构，均印制在介质基板上，结构简单紧凑，加工方便，成本低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明第一介质基板的俯视图；

图2为本发明第二介质基板的俯视图；

图3为本发明第二介质基板的仰视图；

图4为本发明的结构侧视图；

图5为本发明第一种工作状态的俯视图；

图6为本发明第二种工作状态的俯视图；

图7为本发明第三种工作状态的俯视图；

图8为本发明具体实施例在第一种工作模式的S₁₁曲线图；

图9为本发明具体实施例在第二种工作模式的S₁₁曲线图；

图10为本发明具体实施例在第三种工作模式的S₁₁曲线图；

图11为本发明具体实施例第一种工作模式的3.8GHz方向图；

图12为本发明具体实施例第二种工作模式的3.8GHz方向图；

图13为本发明具体实施例第三种工作模式的3.8GHz方向图。

图中：1、第一介质基板；2、第二介质基板；3、金属接地板；3-1、矩形激励缝隙；4、微带馈线；5-1、第一排覆层；5-2、第二排覆层；5-3、第三排覆层；5-4、第四排覆层；5、周期表面覆层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明实施例的低剖面方向图可重构天线设计包括第一介质基板1、第二介质基板2。在第一介质基板的上表面印制有呈周期排布的周期表面覆层5；周期表面覆层5为呈N×N周期排布的正方形金属贴片单元，每个金属贴片单元尺寸相同，均为a×a，相邻金属贴片单元间隔距离相同，均为p；

如图1所示，第一介质基板1上表面印制有呈4×4周期排布的金属贴片单元，构成周期表面覆层5，其中的每个金属贴片尺寸相同，相邻金属贴片间隔相同。在本实施例中周期表面覆层5为4×4的正方形金属贴片单元，还可以是5×5或6×6的正方形金属贴片单元。周期表面覆层5包含：位于第一排的由4个贴片单元组成的第一排覆层5-1、位于第二排的由4个贴片单元组成的第二排覆层5-2、位于第三排的由4个贴片单元组成的第三排覆层5-3和位于第四排的由4个贴片单元组成的第四排覆层5-4。

在一个实施例中，周期表面覆层5由4×4排布的相同尺寸金属贴片组成，每个金属贴片尺寸为18mm×18mm，金属片之间间隔为0.5mm。第二介质基板2厚度为1mm，尺寸为157mm×120mm，第二介质基板2上表面印制刻蚀矩形激励缝隙3-1尺寸为32mm×4mm。

如图2所示，第二介质基板2与第一介质基板1上下堆叠，中间无需特定厚度的空气层。在天线第一介质基板1上表面印制周期表面覆层5，第二介质基板2上表面印制刻蚀有矩形激励缝隙3-1的金属接地板3，金属接地板3刻蚀一条矩形激励缝隙3-1，缝隙位于金属接地板中心处。第二介质基板下表面印制有微带馈线4。

如图3所示，第二介质基板的微带馈线4尺寸为91.5mm×2.7mm。其一边与第二介质基板对齐，另一边延伸至第二介质基板中心处。

可以通过改变第一介质基板1和第二介质基板2的相对位置使得天线的最大辐射方向指向发生改变。第二介质基板的长度大于第一介质基板的长度，改变第一介质基板和第二介质基板的相对位置为第一介质基板沿第二介质基板长度方向移动。

当改变第一介质基板和第二介质基板的相对位置时，天线工作在三种不同模式下：

模式一：如图5所示，通过优化天线结构，当第一介质基板和第二介质基板中心线重合，即矩形激励缝隙3-1投影位于第二排覆层5-2和第三排覆层5-3之间时，天线最大辐射方向与介质基板垂直；该天线的最大辐射方向指向0°。

模式二：通过仿真优化设计，优化介质基板位置以实现天线方向图最大辐射方向的调控。如图6所示，当第一介质基板和第二介质基板中心线沿x轴向上偏移(a+p)，当缝隙位于第三排覆层5-3和第四排覆层5-4之间，即移动距离在16.5mm至20.5mm时，天线最大辐射方向朝上偏移30°；该天线在此工作模式下最大辐射方向指向-30°。

模式三：通过仿真优化设计，优化介质基板位置以实现天线方向图最大辐射方向的调控。如图7所示，当第一介质基板和第二介质基板中心线沿x轴向下偏移(a+p)，当缝隙位于第一排覆层5-1和第二排覆层5-2之间时，即移动距离在-16.5mm至-20.5mm时，天线最大辐射方向朝下偏移30°；该天线在此工作模式下最大辐射方向指向+30°。

在确定上述相关参数前提下，经电磁仿真对该天线的工作特性进一步说明：

天线设计的中心工作频率为3.8GHz。

在第一种工作模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.39GHz-4.19GHz，如图8所示。3.8GHz方向图如图11所示。

在第二种工作模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.41GHz-4.16Hz，如图9所示。3.8GHz方向图如图12所示。

在第三种工作模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.41GHz-4.15Hz，如图10所示。3.8GHz方向图如图13所示。

从以上实施例可以看出，微带馈线通过矩形激励缝隙对天线的辐射贴片进行耦合馈电，有效提高了天线增益、展宽了天线带宽，同时实现了低剖面的设计；通过机械移动介质基板位置，可以实现天线辐射方向图主波束指向的改变。可以方便的通过机械移动改变天线的辐射方向图，解决了现有定向高增益天线体积大、带宽窄、辐射方向图性能固定、机械扫描天线剖面较高的问题，以将其应用于无线通信，有助于提高信号覆盖直流。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种低剖面宽带高增益方向图机械可调天线，其特征在于，包括：

第一介质基板，上表面印制有呈周期排布的周期表面覆层；

所述周期排布的周期表面覆层为呈N×N周期排布的正方形金属贴片单元，N为4，5或6；每个金属贴片单元尺寸相同，相邻金属贴片单元间隔距离相同；

第二介质基板，上表面印制刻蚀有矩形激励缝隙的金属接地板，下表面印制有微带馈线；

第一介质基板与第二介质基板上下堆叠，通过改变第一介质基板和第二介质基板的相对位置使得天线的最大辐射方向指向发生改变；

当第一介质基板与第二介质基板中心线重合，天线最大辐射方向与介质基板垂直；

当第一介质基板沿第二介质基板中心线长度方向偏移，使得第二介质基板上的矩形激励缝隙的投影位于周期排布的周期表面覆层第三排和第四排正方形金属贴片单元之间时，天线最大辐射方向指向-30°；

当第一介质基板沿第二介质基板中心线长度方向偏移，使得第二介质基板上的矩形激励缝隙的投影位于周期排布的周期表面覆层第一排和第二排正方形金属贴片单元之间时，天线最大辐射方向指向+30°。

2.根据权利要求1所述的低剖面宽带高增益方向图机械可调天线，其特征在于，所述第二介质基板的长度大于第一介质基板的长度，改变第一介质基板和第二介质基板的相对位置为第一介质基板沿第二介质基板长度方向移动。

3.根据权利要求1所述的低剖面宽带高增益方向图机械可调天线，其特征在于，所述天线设计的中心工作频率为3.8GHz；在天线最大辐射方向与介质基板垂直模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.39GHz-4.19GHz；在天线最大辐射方向指向-30°模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.41GHz-4.16GHz；在天线最大辐射方向指向+30°模式下，天线的阻抗匹配频段为：3.41GHz-4.15GHz。

4.根据权利要求1所述的低剖面宽带高增益方向图机械可调天线，其特征在于，所述微带馈线为矩形，沿第二介质基板的长度方向布置，一边与第二介质基板对齐，另一边延伸至第二介质基板中心处。

5.根据权利要求1所述的低剖面宽带高增益方向图机械可调天线，其特征在于，所述矩形激励缝隙位于金属接地板中心，且与微带馈线布置方向垂直。

6.根据权利要求1所述的低剖面宽带高增益方向图机械可调天线，其特征在于，第一介质基板与第二介质基板上的印制板之间无金属过孔相连。

7.根据权利要求1-6任一项所述的低剖面宽带高增益方向图机械可调天线，其特征在于，第一介质基板与第二介质基板均为平面结构。

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