CN113097710A - 一种双模圆极化频率可重构天线 - Google Patents

Abstract

一种双模圆极化频率可重构天线，其结构包括一个交叉型缝隙天线辐射结构、一对分布式电感、一对分布式电容和一个直流偏置电路。其中，天线辐射结构中的金属贴片和阶梯型馈电微带线印刷在介质基板正反两面，金属贴片上开设有四条等尺寸交叉缝隙。分布式电感对称、分布式电容分别对称放置于交叉缝隙上，位于结构整体的中心。直流偏置电路中的四个变容二极管加载在交叉缝隙的末端，八个隔离电容成对放置于四个变容二极管两端，两条直流导线放置于介质基板正反两面。本发明提供的天线尺寸小、馈电结构简单、谐振带宽和圆极化轴比带宽大；可实现在五个可变频段的宽轴比带宽和阻抗带宽；能够提高可变频带宽利用率，可应用于物联网无线传感网络、WiFi和可重构阵列场景。

Description

一种双模圆极化频率可重构天线

技术领域

本发明属于无线通信和天线技术领域，涉及一种频率可重构的圆极化天线。

背景技术

随着数字化和信息化进程的加快，通信业务的爆炸性增长，无线通信系统需要天线朝着低延时、高带宽、多功能、集成化等方向发展。为简化无线通信系统，缓解现有频谱中的繁重通信量，具有频率、极化或辐射方向图可重构特性的天线收到越来越多的关注。其中，由于许多应用需要一个天线覆盖很宽的频率范围，频率可重构天线逐渐成为热门研究方向之一。

频率可重构天线是通过调节有效电长度，使天线的谐振频率可在一定带宽范围内进行切换，因此具备调节天线间互相兼容问题、节省系统空间、降低设备成本等优点。通常实现频率可重构天线的方法是通过加载变容管、PIN二极管和MEMS等元件来改变辐射器的电流路径及分布，从而改变天线的工作频率。一些新的功能材料如铁氧体、超表面和电化学驱动液态金属也被用来实现频率可调。

另一方面，相比于线极化天线，圆极化天线可以实现更好的极化匹配和抗干扰能力，因此频率可重构的圆极化天线正被广泛研究。但这些研究通常需要大数量的电元件、多电压控制、大尺寸等复杂结构，同时实现的可变频率带宽较窄。因此如何设计一款低成本、小尺寸、结构简单、宽频段的频率可重构圆极化天线十分必要。基于此，本发明致力于实现用少量电元件控制、宽带、小型化的圆极化频率可重构天线，可应用于物联网无线传感网络、WiFi和可重构天线阵列等场景。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术不足，为保证频率可重构天线的宽带可调谐振频率和圆极化辐射特性，提出一种双模圆极化频率可重构天线，以解决现有技术中频率可重构天线体积大、频带窄、成本高等技术问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种双模式圆极化频率可重构天线，其结构包括一个交叉型缝隙天线辐射结构、一对分布式电感A12、B13、一对分布式电容A14、B15和一个直流偏置电路。

所述的交叉型缝隙天线辐射结构包括介质基板1、金属贴片2及阶梯型馈电微带线3。所述金属贴片2和阶梯型馈电微带线3分别印刷在所述介质基板1的正反两面，其中，金属贴片2置于介质基板1上方(正面)。所述金属贴片2上开设有四条等尺寸缝隙A4、B5、C6、D7，四条缝隙构成交叉形状，交叉形状的中心与金属贴片2的中心点重合，因此金属贴片2被等分为四个等尺寸三角形金属贴片A8、B9、C10、D11。

所述分布式电感A12、B13由弯曲金属线实现，分布式电感A12、B13分别对称放置于交叉缝隙A4、C6临近中心点的一端；所述分布式电容A14、B15由相距很近的两对小尺寸矩形金属贴片组成，分布式电容A14、B15分别对称放置于交叉缝隙B5、D7临近中心点的一端；分布式电感A12、B13和分布式电容A14、B15位于结构整体的中心位置。

所述四条等尺寸缝隙A4、B5、C6、D7可产生两个垂直且等幅的电场，通过调节弯曲金属线的长度可以改变分布式电感A12、B13的值，通过调节小尺寸矩形金属贴片的宽度可以改变分布式电容A14、B15的值，从而形成90°相位差，因此可以激励出圆极化波。

所述的直流偏置电路由四个变容二极管A16、B17、C18、D19、两条直流导线A20、B21和八个加载电容A22、B23、C24、D25、E26、F27、G28、H29组成。所述四个变容二极管A16、B17、C18、D19分别被加载在交叉缝隙A4、B5、C6、D7的末端(远离叉缝隙中心点的一端)，变容二极管A16、B17、C18、D19的阳极和阴极彼此反向通电用于产生偏置电流，可以通过加电压实现调节缝隙天线的有效电长度，用于减小天线尺寸。所述八个隔离电容A22、B23、C24、D25、E26、F27、G28、H29被成对放置于四个变容二极管A16、B17、C18、D19的两端，使四个变容二极管A16、B17、C18、D19与金属贴片A8、B9、C10、D11隔离，保证变容二极管A16、B17、C18、D19的阳极和阴极不会与各自相连的金属贴片A8、B9、C10、D11发生短路。所述两条直流导线A20、B21分别放置于介质基板1的正反两面，其中直流导线A20位于介质基板1的正面，介质基板1的四个顶点处各设有一个金属过孔，直流导线A20、B21的末端分别连接电压源的正极和负极；所述直流导线A20上设有射频扼流电感A30，直流导线B21上设有射频扼流电感B31，用于实现导通直流电流、抑制交流电流的作用。

所述的介质基板1的正面印刷有四组焊接盘A32、B33、C34、D35，位于方形介质基板1的四个顶点处。所述变容二极管、隔离电容以及扼流电感之间通过四组焊接盘A32、B33、C34、D35连接。所述变容二极管A16、B17、C18、D19的阳极分别通过直流导线A20相连，进而连接到电压源正极；变容二极管A16、B17、C18、D19的阴极分别通过四个金属过孔A36、B37、C38、D39连接到印刷于介质基板1反面的直流导线B21，进而连接到电压源负极。因此，所述的直流偏置电路只使用一个电压源控制四个可变电容器A16、B17、C18、D19的值，实现了圆极化辐射天线谐振频率可变性。

所述的介质基板1由介电常数是3.48的RO4350B材质制成。

本发明的工作过程为：射频信号由阶梯型微带馈线3的起始端输入，在阶梯型微带馈线3的末端输出，给中心位置加载分布式电感A12、B13和分布式电容A14、B15的四条等尺寸缝隙A4、B5、C6、D7馈电，激励出两个辐射模形成宽带，并实现圆极化波。由电压源正负两极输出的直流电流分别经过两条直流导线连接到四个变容二极管A16、B17、C18、D19的阳极和阴极，激励形成反向偏置电路。通过改变电压源的电压大小可以控制四个变容二极管A16、B17、C18、D19的电容值，实现在1.65-2.5GHz范围内频率可变的圆极化辐射特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明所述的圆极化频率可重构天线采用交叉型的四条等尺寸缝隙A4、B5、C6、D7和中心位置的加载分布式电感A12、B13和分布式电容A14、B15实现圆极化辐射，使用阶梯型微带线3馈电，天线尺寸小、馈电结构简单、谐振带宽和圆极化轴比带宽大；

2)本发明采用的交叉型四条等尺寸缝隙A4、B5、C6、D7结构在中心加载分布式电感A12、B13和分布式电容A14、B15时可同时在相近频率激励出两种电场分布，因此在每个可变频段都可以同时激励出两个不同工作模式，实现了在五个可变频段的宽轴比带宽和阻抗带宽，其中最大的可变频段带宽为10％；

3)本发明使用一个电压源控制四个变容二极管A16、B17、C18、D19的电容值在0.3-6pF之间变化，使得天线在1.65-2.5GHz频段都能产生有效的可变谐振频率，五个可变带宽分别为2.43-2.55GHz，2.13-2.31GHz，1.97-2.14GHz，1.73-1.90GHz，1.58-1.74GHz，提高了可变频带宽利用率，可应用于物联网无线传感网络、WiFi和可重构阵列场景。

附图说明

图1是本发明提出的圆极化频率可重构天线正反两面结构示意图；图1(a)为天线正面结构示意图，图1(b)为天线反面结构示意图；图1(c)是本发明提出的圆极化频率可重构天线侧面示意图；

图2是本发明仿真的在不同电容值下的反射系数和轴比曲线图；图2(a)为不同电容值下的反射系数曲线图，图2(b)为不同电容值下的轴比曲线图；

图3是本发明仿真的增益方向图；图3(a)为xz面1.8GHz方向图，图3(b)为yz面1.8GHz方向图，图3(c)为xz面2.5GHz方向图，图3(d)为yz面2.5GHz方向图；

图中：1介质基板A；2金属贴片；3阶梯型馈电微带线；4缝隙A、5缝隙B、6缝隙C、7缝隙D；8小金属贴片A、9小金属贴片B、10小金属贴片C、11小金属贴片D；12分布式电感A、13分布式电感B；14分布式电容A、15分布式电容B；16变容二极管A、17变容二极管B、18变容二极管C、19变容二极管D；20直流导线A、21直流导线B；22加载电容A、23加载电容B、24加载电容C、25加载电容D、26加载电容E、27加载电容F、28加载电容G、29加载电容H；30射频扼流圈A、31射频扼电感B；32焊接盘A、33焊接盘B、34焊接盘C、35焊接盘D；36金属过孔A、37金属过孔B、38金属过孔C、39金属过孔D。

具体实施方式

下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。

参见图1，圆极化频率可重构天线由一个交叉型缝隙天线辐射结构和一个直流偏置电路构成。

交叉型缝隙天线辐射结构由介质基板1、阶梯状馈电微带线3、四条等尺寸缝隙A4、B5、C6、D7、四个等尺寸小金属贴片A8、B9、C10、D11、一对分布式电感A12、B13和一对分布式电容A14、B15构成。介质基板1采用介电常数为3.48，厚度为0.762mm的RO4350B材质制成。四个等尺寸小金属贴片A8、B9、C10、D11、分布式电感A12、B13和分布式电容A14、B15印刷在介质基板1正面，阶梯状馈电微带线3印刷在介质基板1反面。分布式电感A12、B13和分布式电容A14、B15对称置于四个小金属贴片A8、B9、C10、D11的中心位置，阶梯状馈电微带线3对四条等尺寸缝隙A4、B5、C6、D7馈电，激励天线在产生圆极化波；同时，四条缝隙A4、B5、C6、D7在中心放置的分布式电感A12、B13和分布式电容A14、B15影响下激励出两种工作模式，进一步提高天线的带宽。

直流偏置电路由四个变容二极管A16、B17、C18、D19、两条直流导线A20、B21、两组射频扼流电感A30、B31、八个加载电容A22、B23、C24、D25、E26、F27、G28、H29和四组焊接盘A32、B33、C34、D35组成。八个加载电容A22、B23、C24、D25、E26、F27、G28、H29被成对放置于四个变容二极管A16、B17、C18、D19的两端，保证变容二极管A16、B17、C18、D19的阳极和阴极不与小金属贴片A8、B9、C10、D11直接相连，发生短路。变容二极管A16、B17、C18、D19的阳极和阴极彼此反向放置，可以产生偏置电流；变容二极管A16、B17、C18、D19的阳极连接到置于介质基板1正面的直流导线A20，直流导线A20的末端连接到电压源的正极；变容二极管A16、B17、C18、D19的阴极通过四个金属过孔A36、B37、C38、D39连接到置于介质基板1反面的直流导线B21，直流导线A21的末端连接到电压源的负极。

因此直流偏置电路在一个电压源控制下导通，通过改变电压源的电压值(0-20V)变化，四个变容二极管A16、B17、C18、D19的电容值在0.3-6pF变化，从而控制圆极化波的中心谐振频率在1.65-2.5GHz范围变化，实现了圆极化频率可重构特性。天线总尺寸长为59.4mm，宽为59.8mm，高为0.762mm(介质基板1的厚度)。

本发明的辐射性能仿真结果进一步说明：

图2是本发明提出的圆极化频率可重构天线在不同电容值下的反射系数和轴比曲线仿真结果，从图中看出天线在可变电容分别为0.3pF、0.66pF、0.98pF、2.22pF、2.6pF时，分别在2.5GHz、2.2GHz、2.05GHz、1.8GHz和1.65GHz频段都能产生有效谐振，带宽分别为2.43-2.55GHz，2.13-2.31GHz，1.97-2.14GHz，1.73-1.90GHz，1.58-1.74GHz，轴比在带宽范围都小于3dB，实现了宽带圆极化辐射，频带利用率高。

图3是天线仿真得到的1.8GHz和2.5GHz辐射方向图，从图3中看出本发明提出的圆极化频率可重构天线具有稳定的方向图，仿真增益分别为3.0和3.3dBic，圆极化纯度高。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，只用于对本发明进行具体的描述，让熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明内容所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种双模圆极化频率可重构天线，其特征在于，所述的可重构天线包括一个交叉型缝隙天线辐射结构、一对分布式电感A(12)、B(13)、一对分布式电容A(14)、B(15)和一个直流偏置电路；

所述的交叉型缝隙天线辐射结构包括介质基板(1)、金属贴片(2)及阶梯型馈电微带线(3)；所述金属贴片(2)和阶梯型馈电微带线(3)分别印刷在所述介质基板(1)的正反两面，其中金属贴片(2)置于介质基板(1)正面；所述金属贴片(2)上开设有四条等尺寸缝隙A(4)、B(5)、C(6)、D(7)，四条缝隙构成交叉形状，金属贴片(2)被等分为四个等尺寸三角形金属贴片A(8)、B(9)、C(10)、D(11)；

所述分布式电感A(12)、B(13)为弯曲金属线，对称放置于交叉缝隙A(4)、C(6)临近中心点的首端；所述分布式电容A(14)、B(15)由相距很近的两对小尺寸矩形金属贴片组成，对称放置于交叉缝隙B(5)、D(7)临近中心点的首端；所述四条等尺寸缝隙A(4)、B(5)、C(6)、D(7)可产生两个垂直且等幅的电场，通过调节弯曲金属线的长度改变分布式电感A(12)、B(13)的值，通过调节小尺寸矩形金属贴片的宽度改变分布式电容A(14)、B(15)的值，进而可以激励出圆极化波；

所述的直流偏置电路由四个变容二极管A(16)、B(17)、C(18)、D(19)、两条直流导线A(20)、B(21)和八个加载电容A(22)、B(23)、C(24)、D(25)、E(26)、F(27)、G(28)、H(29)组成；所述四个变容二极管A(16)、B(17)、C(18)、D(19)分别被加载在交叉缝隙A(4)、B(5)、C(6)、D(7)的末端，四个变容二极管的阳极和阴极彼此反向通电用于产生偏置电流，通过加电压实现调节缝隙天线的有效电长度，用于减小天线尺寸；所述八个隔离电容A(22)、B(23)、C(24)、D(25)、E(26)、F(27)、G(28)、H(29)依次被成对放置于四个变容二极管A(16)、B(17)、C(18)、D(19)的两端，使四个变容二极管A(16)、B(17)、C(18)、D(19)与四个金属贴片A(8)、B(9)、C(10)、D(11)隔离，保证变容二极管A(16)、B(17)、C(18)、D(19)的阳极和阴极不会与各自相连的金属贴片A(8)、B(9)、C(10)、D(11)发生短路；所述两条直流导线A(20)、B(21)分别放置于介质基板(1)的正反两面，其中直流导线A(20)位于正面，且直流导线A(20)、B(21)的末端分别连接电压源的正极和负极；所述直流导线A(20)、B(21)上分别设有射频扼流电感A(30)、射频扼流电感B(31)，用于实现导通直流电流、抑制交流电流的作用；

所述的介质基板(1)的正面四个顶点处分别印刷焊接盘A(32)、B(33)、C(34)、D(35)，变容二极管、隔离电容以及射频扼流电感之间通过四组焊接盘连接；所述变容二极管A(16)、B(17)、C(18)、D(19)的阳极通过直流导线A(20)相连，进而与电压源正极连接；变容二极管A(16)、B(17)、C(18)、D(19)的阴极通过介质基板(1)顶点处的金属过孔与直流导线B(21)连接，进而与电压源负极连接；因此，直流偏置电路可使用一个电压源控制四个可变电容器A(16)、B(17)、C(18)、D(19)的值，实现圆极化辐射天线谐振频率可变性。

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