CN113161744B - 一种基于双波束转换的阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双波束转换的阵列天线，包括2*2阵列天线、4*4阵列天线和开关选择器，所述开关选择器包括两个隔直电容、两个PIN二极管和两个串联电感，所述开关选择器有两个输出端，其中一个输出端连接2*2阵列天线，另一个输出端连接4*4阵列天线；本发明实现通信的可靠性；该天线用于不稳定环境(如高塔)时，通过控制开关选择特定波束的阵列天线，避免高增益窄波束对指向要求高，信号因临时外界环境改变，发射和接收没有对准而无法传输的问题，实现通信的可靠性。

Description

一种基于双波束转换的阵列天线
技术领域
本发明涉及阵列天线技术领域，具体涉及一种基于双波束转换的阵列天线。
背景技术
随着信息技术的高速发展，通信网络技术也在逐步成长,2G时代、3G时代、4G时代都顺应着时代的潮流给人们的生活带来了不同程度上的便利，天线作为无线通信系统的核心部件,在通信系统的发展长河中也是起着决定性的作用。由于单个天线的辐射方向性是全向的，为了使天线具有定向辐射的能力，将单独的天线按照一定的方式进行排列，形成一个天线阵列系统，可以增强其辐射方向性。
为解决不稳定环境下，具有低功耗设计要求的天线，在满足高增益的同时必然窄波束，而窄波束存在容易偏的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提出一种基于双波束转换的阵列天线，在不同环境下，利用开关二极管选择满足当前需求的阵列天线，实现通信的可靠性；该天线用于不稳定环境(如高塔)时，通过控制开关选择特定波束的阵列天线，避免高增益窄波束对指向要求高，信号因临时外界环境改变，发射和接收没有对准而无法传输的问题，实现通信的可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于双波束转换的阵列天线，包括2*2阵列天线、4*4阵列天线和开关选择器，所述开关选择器包括两个隔直电容、两个PIN二极管和两个串联电感，所述开关选择器有两个输出端，其中一个输出端连接2*2阵列天线，另一个输出端连接4*4阵列天线；
所述两个PIN二极管两边电压的电平值，选择不同波束宽度的阵列天线。
进一步的，所述两个PIN二极管包括第一PIN二极管PIN1和第二PIN二极管PIN2；
第一PIN二极管PIN1和第二PIN二极管PIN2的阴极对接，输入信号连接在两个PIN二极管之间；第一PIN二极管PIN1的阳极通过一个隔直电容连接至4*4单元阵列天线及第一支路，第二PIN二极管PIN2的阳极通过一个隔直电容连接至2*2单元阵列天线及第二支路。
进一步的，所述2*2阵列天线，包括介质板，介质板上设置四个天线单元，四个单元天线相对中心馈点呈均匀阵列分布，四个单元天线由一分四的等功分网络连接。
进一步的，所述4*4阵列天线，包括介质板，介质板上设置十六个天线单元，十六个单元天线相对于中心馈点呈均匀阵列分布，十六个单元天线由一分十六的等功分网络连接。
进一步的，所述天线单元为蝶形偶极子天线，包括置于介质板正面的第一贴片和第一传输线，置于介质板背面的第二贴片和第二传输线。
进一步的，所述2*2单元阵列天线在中心频率5.8GHz的增益为10.7GHz，所述4*4单元阵列天线在中心频率5.8GHz的增益为16.7GHz。
进一步的，所述第一支路与第二支路结构相同，包括串联电感和接地电容，其中，串联电感一端连接PIN二极管的阳极，另一端连接接地电容。
进一步的，所述串联电感、接地电容以及隔直电容之间的连接线采用高阻抗线。
进一步的，所述第一支路中的串联电感还连接有第一电压V1；所述第二支路中的串联电感还连接有第二电压V2。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，本发明的基于双波束转换的阵列天线，包括2*2阵列天线、4*4阵列天线和开关选择器；两种阵列天线使用的单元天线为蝶形偶极子天线，单元天线包括置于介质板正面的第一贴片和第一传输线，置于介质板背面的第二贴片和第二传输线；当外界环境稳定时，设置电压第二电压V2＝+3V，二极管PIN1导通，开关选择器选择4*4单元阵列天线，此时开关选择器选择窄波束阵列天线，能够有效的降低系统功耗；当外界环境不稳定时，设置第一电压V1＝+3V，二极管PIN2导通，开关选择器选择2*2单元阵列天线，此时开关选择器选择宽波束阵列天线，保证了在恶劣环境下的信号可靠性。通过以上工作方式，本发明可根据当前环境所需要的波束，选择合适的阵列天线，在实现通信的可靠性的同时，综合考虑到功耗的问题，尽可能的降低系统功耗。
附图说明
图1为本发明双波束转换的阵列天线的结构示意图；
图2为本发明中2*2单元阵列天线的结构示意图；
图3为本发明中4*4单元阵列天线的结构示意图；
图4为本发明中单元天线的结构示意图；
图5为本发明中单元天线的回波损耗结果示意图；
图6为本发明中单元天线的增益的仿真结果示意图；
图7为本发明中2*2单元阵列天线的E面和H面的仿真结果示意图；
图8为本发明中4*4单元阵列天线的E面和H面的仿真结果示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
本发明提供了一种基于双波束转换的阵列天线，通过开关二极管在宽波束2*2单元阵和窄波束4*4单元阵之间根据不同环境的需求进行选择。
如图1所示，本发明的基于双波束转换的阵列天线包括介质板107，隔直电容101，所述隔直电容101的电容值为200pF；2个PIN二极管102，包括第一PIN二极管PIN1和第二PIN二极管PIN2；
第一PIN二极管PIN1和第二PIN二极管PIN2的阴极对接，输入信号连接在2个PIN二极管之间；第一PIN二极管PIN1的阳极通过一个隔直电容101连接至4*4单元阵列天线109及第一支路，第二PIN二极管PIN2的阳极通过一个隔直电容101连接至2*2单元阵列天线108及第二支路。
所述第一支路与第二支路结构相同，包括串联电感103、高阻抗线104和接地电容105，其中，串联电感103一端连接PIN二极管的阳极，另一端连接接地电容105；所述串联电感103、接地电容105以及隔直电容101之间的连接线采用高阻抗线104。采用上述结构设计，本发明能够进一步阻止射频能量进入直流电源，在两个偏置电路中各添加串联电感103，高阻抗线104是用于实现RF choke电感的，接地电容105将RF射频信号短路到地。
如图1所示，本发明的第一支路中的串联电感103还连接有第一电压V1；所述第二支路中的串联电感103还连接有第二电压V2。
如图1所示，所述输入信号与PIN之间由传输线106连接，两个PIN二极管之间由传输线106连接，2个PIN二极管与阵列天线之间由传输线106连接。
如图2所示，在本发明的某一实施例中，所述2*2单元阵列天线包括介质板201，四个单元天线A1、A2、A3和A4，一分四等功分网络202。四个单元天线延中心馈点成均匀阵列分布，四个单元天线由一分四等功分网络连接在一起。
如图3所示，在本发明的某一实施例中，4*4单元阵列天线包括介质板301，十六个单元天线B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10、B11、B12、B13、B14、B15和B16，一分十六等功分网络302；所述十六个单元天线延中心馈点成均匀阵列分布，十六个单元天线由一分十六等功分网络连接在一起。
如图4所示，所述单元天线包括介质板401，第一贴片402，第二贴片403，第一传输线404和第二传输线405，其中；
所述第一贴片402位于介质板正面，第一贴片402水平方向的长度为12.5mm，垂直方向较长边的长度为22mm，垂直方向较短边的长度为14mm。
所述第二贴片403位于介质板背面，第二贴片403和第一贴片402延介质板中心垂直方向对称，且大小一致。
所述第一贴片402垂直方向较短边中心位置与第一传输线404相连，第二贴片403垂直方向较短边中心位置与第二传输线405相连；所述第一传输线404由两个夹角为90°、宽度为1.495mm、长度分别为2.1mm和8.8mm的传输线连接组成。所述第二传输线405和第一传输线404延介质板中心垂直方向对称，且大小一致。
下面对本发明的工作原理作介绍说明，如图1所示，本发明主要由2*2天线阵列、4*4天线阵列和开关选择器三部分组成，其中，所述2*2天线阵列中的四个单元天线由一个一分四的等功分网络连接组成，所述4*4阵列天线中的十六个单元天线由一分十六的等功分网络连接组成。所述开关选择器包括两个隔直电容、两个PIN二极管和两个串联电感。
两个PIN二极管的两边分别引出两个电压第一电压V1和第二电压V2，第一电压V1和第二电压V2有±3V两个电平可选择。
当外界环境稳定时，设置电压第二电压V2＝+3V(即第一电压V1＝-3V)，二极管PIN1导通，开关选择器选择4*4单元阵列天线109，此时开关选择器选择窄波束阵列天线，能够有效的降低系统功耗；
当外界环境不稳定(如刮风)时，设置第一电压V1＝+3V(即第二电压V2＝-3V)，二极管PIN2导通，开关选择器选择2*2单元阵列天线108，此时开关选择器选择宽波束阵列天线，保证了在恶劣环境下的信号可靠性。
通过以上工作方式，本发明可根据当前环境所需要的波束，选择合适的阵列天线，在实现通信的可靠性的同时，综合考虑到功耗的问题，尽可能的降低系统功耗。
在本发明的某一具体实施例中，所述2*2单元阵列天线在中心频率5.8GHz的增益为10.7GHz，所述4*4单元阵列天线在中心频率5.8GHz的增益为16.7GHz。当开关选择器选择4*4单元阵列天线时，相比2*2单元阵列天线的增益提高了6dB左右，也就是说，采用本发明的方案，可以降低1/4左右的功耗，减少了不必要的资源浪费。
图5和图6分别为本发明中单元阵列天线的回波损耗和增益的仿真结果示意图，从图中可以看出，图7为本发明中2*2单元阵列天线在中心频率5.8GHz的E面和H面的仿真结果示意图；图8为本发明中4*4单元阵列天线在中心频率5.8GHz的E面和H面的仿真结果示意图；从仿真结果示意图中可以看出，本发明的阵列天线在在工作频带内，回波损耗小于-10dB，增益大于0dB，满足设计要求。

Claims (2)

1.一种基于双波束转换的阵列天线，其特征在于，包括2*2阵列天线、4*4阵列天线和开关选择器，所述开关选择器包括两个隔直电容、两个PIN二极管和两个串联电感，所述开关选择器有两个输出端，其中一个输出端连接2*2阵列天线，另一个输出端连接4*4阵列天线；
所述两个PIN二极管两边电压的电平值，选择不同波束宽度的阵列天线；
所述两个PIN二极管包括第一PIN二极管PIN1和第二PIN二极管PIN2；
第一PIN二极管PIN1和第二PIN二极管PIN2的阴极对接，输入信号连接在两个PIN二极管之间；第一PIN二极管PIN1的阳极通过一个隔直电容连接至4*4单元阵列天线及第一支路，第二PIN二极管PIN2的阳极通过一个隔直电容连接至2*2单元阵列天线及第二支路；
所述2*2阵列天线，包括介质板，介质板上设置四个天线单元，四个单元天线相对中心馈点呈均匀阵列分布，四个单元天线由一分四的等功分网络连接；
所述4*4阵列天线，包括介质板，介质板上设置十六个天线单元，十六个单元天线相对于中心馈点呈均匀阵列分布，十六个单元天线由一分十六的等功分网络连接；所述天线单元为蝶形偶极子天线，包括置于介质板正面的第一贴片和第一传输线，置于介质板背面的第二贴片和第二传输线，所述第一支路与第二支路结构相同，包括串联电感和接地电容，其中，串联电感一端连接PIN二极管的阳极，另一端连接接地电容，所述串联电感、接地电容以及隔直电容之间的连接线采用高阻抗线，所述第一支路中的串联电感还连接有第一电压V1；所述第二支路中的串联电感还连接有第二电压V2。
2.根据权利要求1所述的基于双波束转换的阵列天线，其特征在于，所述2*2单元阵列天线在中心频率5.8GHz的增益为10.7GHz，所述4*4单元阵列天线在中心频率5.8GHz的增益为16.7GHz。
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