CN113300090B - 一种差分馈电的方向图可重构介质贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，其特征在于：所述金属反射地有三条平行且位于介质贴片正下方的耦合缝隙，每个耦合缝隙加载有一个PIN二极管，下介质基板的下层设置有与耦合缝隙正交的微带馈线，用于接收等幅反相的射频信号以实现差分馈电。本发明通过切换PIN二极管的通断状态以控制天线的馈电结构，能够有效地改变高阶模TE₁₂的电场分布。因此，可以在不增加天线尺寸的情况下，仅使用三个PIN二极管就能获得五个不同的波束，并且它们都具有良好的辐射性能。

Description

一种差分馈电的方向图可重构介质贴片天线

技术领域

本发明涉及一种差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，属于无线通信技术领域。

背景技术

为满足无线通信系统大容量、多功能和宽带化的发展需求，平台上安装的天线数量激增。从减少系统的成本和重量或改善电磁兼容特性的角度来看，这种现象都是不利的。可重构天线可以根据实际环境的需要实时改变天线的负载或物理结构，从而在一个天线上实现多个天线的功能。按照功能，可重构天线主要分为频率、极化和方向图可重构。其中，方向图可重构天线因能动态地将主波束转向入射波的方向，有效地减少噪声干扰并扩大信号覆盖范围，从而受到了广泛的研究。

在方向图可重构天线的研究中，微带贴片天线因其剖面低、增益较高、易于与射频有源电路集成等优点而得到了广泛的应用。然而，微带天线的波束控制功能通常是通过控制射频开关的通断状态来改变寄生结构的形状或位置，这使得天线体积庞大且结构复杂。此外，随着第五代(5G)移动通信的网络在世界范围内逐步建立，天线载波频率逐渐升高，以满足诸如高速率、低延迟和大容量等性能要求。然而，随着载波频率的升高，金属的趋肤效应变得越来越明显，导致微带贴片天线的辐射效率严重恶化。为了解决这一技术瓶颈，导体损耗几乎为零的介质谐振器被应用于方向图可重构天线的设计中。具有波束控制能力的介质谐振器天线的实现方法主要分为两类。第一种方法是机械调谐。波束控制特性可以通过重力来改变液体的流动方向或球透镜的倾斜角度来实现。虽然机械调谐损耗低，但调谐速度相对较慢，调谐材料的放置可能会占用较大空间，这与通信系统高集成度、快速时变的发展需求背道而驰。另一种方法是电调谐，通过控制射频开关的通断状态，可以快速实现波束控制。但是，以往的研究将开关网络与天线的寄生结构或馈电结构简单地级联在一起，不可避免地增加了天线的尺寸和设计复杂度。此外，现有设计都是基于传统的高剖面介质谐振器。随着通信系统的小型化，高剖面将成为介质谐振器天线在一些空间有限的应用中的障碍。

介质贴片天线的发展有效地解决了这些问题。根据先前的研究可以发现，就外形、增益、辐射效率和设计自由度而言，介质贴片天线是传统介质谐振器天线和微带贴片天线之间的良好折衷。此外，介质谐振器继承了介质谐振器的多模特性，其高阶模式的应用可以进一步提高天线的增益。然而，到目前为止，基于介质贴片谐振器的可重构设计仅有一款工作在主模TM₁₀下的频率可重构天线，缺少方向图可重构设计。此外，基于微带贴片或介质谐振器的波束控制天线是以牺牲交叉极化为代价，在天线中引入非对称结构来实现的。

发明内容

本发明的目的在于，克服上述现有技术的缺陷，提出一种差分馈电的方向图可重构介质贴片天线,选择了能够被差分激励的高阶模TE₁₂作为工作模式，以进一步提高介质天线的增益，同时获得低交叉极化特性。

为了实现本发明目的，本发明提供的差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板、金属反射地板、上介质基板和介质贴片，其特征在于：所述金属反射地有三条平行且位于介质贴片正下方的耦合缝隙，每个耦合缝隙加载有一个PIN二极管，下介质基板的下层设置有与耦合缝隙正交的微带馈线，用于接收等幅反相的射频信号以实现差分馈电。

本发明在金属反射地上刻蚀了三个平行的耦合缝隙，并且每个缝隙中都加载有一个PIN二极管。通过切换PIN二极管的通断状态以控制天线的馈电结构，能够有效地改变高阶模TE₁₂的电场分布。因此，仅使用三个PIN二极管，就可以在保持天线的工作频率和原始尺寸的情况下，将主波束切换到五个方向，并且它们都具有良好的辐射性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明介质贴片天线三维爆炸图。

图2是本发明介质贴片天线的金属反射地板俯视图。

图3是本发明介质贴片天线状态1的仿真结果，(a)反射系数，(b)5.8GHz处xz平面的辐射方向图。

图4是本发明介质贴片天线状态2的仿真结果，(a)反射系数，(b)5.8GHz处xz平面的辐射方向图。

图5是本发明介质贴片天线状态3的仿真结果，(a)反射系数，(b)5.8GHz处xz平面的辐射方向图。

图6是本发明介质贴片天线状态4的仿真结果，(a)反射系数，(b)5.8GHz处xz平面的辐射方向图。

图7是本发明介质贴片天线状态5的仿真结果，(a)反射系数，(b)5.8GHz处xz平面的辐射方向图。

图8是偏置电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，为本发明差分馈电的方向图可重构介质贴片天线结构，该天线主要由四部分组成：介质贴片1、上介质基板2、金属反射地板3和下介质基板4。介质贴片1的介电常数为ε_rd＝45，损耗角正切为tanδ＝1.9×10^-4，体积为w_d×w_d×h_d。上下介质基板均为RogersRO4003，其介电常数ε_rs＝3.38，尺寸为L_e×L_e，厚度分别为h_s1＝60mil和h_s2＝32mil。金属反射地3设置在下介质基板4的上层，并蚀刻有三条平行的耦合缝隙(第一耦合缝隙8、第二耦合缝隙9、第三耦合缝隙10)。第一缝隙8和第三耦合缝隙10的尺寸均为l_s1×w_s1，第二耦合缝隙9的尺寸为l_s2×w_s2。为了实现波束控制功能，分别在第一耦合缝隙8、第二耦合缝隙9、第三耦合缝隙10中加载了第一PIN二极管11、第二PIN二极管12、第三PIN二极管13。所使用的PIN二极管是Infineon的BAR64-02V。当PIN二极管处于导通状态时，等效为一个2.1Ω的电阻；处于截止状态时，等效为0.13pF电容与500Ω电阻并联。微带馈线5被印刷在下介质基板4的下层，等幅反相的RF信号沿着微带线流动以实现差分馈电。标号6为正向信号输入端，标号7为反向信号输入端。天线的具体参数在表I中给出。

表I天线的详细尺寸

为了进一步提高介质贴片天线的增益，选择高阶模式TE₁₂作为工作模式。该模式具有沿x轴180°的相位差。众所周知，差分馈电方案的应用是实现低交叉极化的有效途径，且等幅反相的差分信号只能激励具有异相电场分布的模式。因此，高次模TE₁₂能够巧妙地被差分馈电方案激励，在实现增益提升的同时能够有效降低交叉极化特性。

通过控制三个PIN二极管的通断状态来改变馈电结构，可以实现5种波束状态，如表II所示。

表II所提出天线的5个开关状态

状态1到状态5的仿真反射系数和xz平面的辐射方向图分别如图3、4、5、6、7所示。可以看出，各状态中心频率保持在5.8GHz左右，阻抗匹配良好。状态1到状态5的阻抗带宽依次为4.8％(5.64-5.92GHz)，6.4％(5.55-5.92GHz)，3.9％(5.66-5.89GHz)，6.4％(5.55-5.92GHz)和3.9％(5.66-5.89GHz)。

当第一、第三PIN二极管导通，第二PIN二极管截止时，定义为状态1。这种情况下，高阶模TE₁₂的电场是均匀分布在介质贴片谐振器中。从图3(b)可以看出，主波束方向为0°，半功率波束宽度为106°，范围是-53°到+53°，此时峰值增益为7.3dBi。

当第一、第二PIN二极管截止，第三PIN二极管导通时，为状态2。此时，高阶模TE₁₂的电场向x轴正方向偏移。在图4(b)中，主波束方向为+19°，半功率波束为95°，连续覆盖-34°到+61°，峰值增益为7.8dBi。

当第一PIN二极管截止，第二、第三PIN二极管导通时，为状态3。此时，高阶模TE₁₂的电场主要集中在介质贴片谐振器的上侧。主波束方向为+30°，半功率波束宽度为73°，范围为-8°到+65°，如图5(b)所示，峰值增益为8.4dBi。

当第二、第三PIN二极管截止，第一PIN二极管导通时，为状态4。此时，高阶模TE₁₂的电场向x轴负方向偏移。主波束方向为-19°，半功率波束为95°，连续覆盖-61°到+34°，如图6(b)所示，峰值增益为7.8dBi。

当第一、第二PIN二极管导通，第三PIN二极管截止时，为状态5。此时，高阶模TE₁₂的电场主要集中在介质贴片谐振器的下侧。主波束方向为-30°，半功率波束宽度为73°，范围为-65°到+8°，如图7(b)所示，峰值增益为8.4dBi。

为了使得本发明差分馈电的方向图可重构介质贴片天线在工业上易于制造，本实施例还提供了用于控制PIN二极管通断的偏置电路的详细设计方案，该偏置电路印刷在下介质基板4的下底面。

如图8所示，偏置电路包括：用于接收偏置电压信号的第一金属焊盘14、通过电感19与该第一金属焊盘14连接的第二金属焊盘15，和连接于第二金属焊盘15与耦合缝隙8、9、10第一侧边之间的电容18，PIN二极管11、12、13的正极连接第二金属焊盘15，PIN二极管11、12、13的负极连接耦合缝隙8、9、10第二侧边。本实施例中，PIN二极管11、12、13的负极通过第一金属贴片16和金属化通孔连接金属反射地板3，电容18则通过第二金属贴片17和金属化通孔连接金属反射地板3。本例中金属化通孔至耦合缝隙的距离约为0.5mm，该距离最好控制在1mm内。与PIN二极管相邻的2pf电容18用于确保直流信号能通到PIN二极管和保持射频信号的连续性，而另一个15nH的电感19与直流电源串联，以防止射频信号泄漏到直流电源。所有PIN二极管的阴极通过金属化通孔连接到直流电源的接地端，阳极通过导线连接到直流电源的正极。通过提供或切断直流信号，PIN二极管可以在导通和截止状态之间切换。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，包括自下而上依次层叠设置的下介质基板（4）、金属反射地板（3）、上介质基板（2）和介质贴片（1），其特征在于：所述金属反射地板（3）有三条平行且位于介质贴片（1）正下方的耦合缝隙（8、9、10），每个耦合缝隙加载有一个PIN二极管（11、12、13），构成方向图调谐结构，用于调谐所述介质贴片天线的辐射方向，下介质基板（4）的下层设置有与耦合缝隙正交的微带馈线（5），用于接收等幅反相的射频信号以实现差分馈电。

2.根据权利要求1所述的差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，其特征在于：三条耦合缝隙（8、9、10）中心对称地设置于金属反射地板（3）的中央处。

3.根据权利要求1所述的差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，其特征在于：所述PIN二极管（11、12、13）加载于对应耦合缝隙（8、9、10）的中部或微带馈线（5）的一侧，其正负极分别连接于耦合缝隙（8、9、10）的两侧边或两侧边附近1mm内。

4.根据权利要求3所述的差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，其特征在于：当PIN二极管处于导通状态时，其等效为一个电阻；当PIN二极管处于截止状态时，其等效为电容与电阻并联。

5.根据权利要求4所述的差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，其特征在于：PIN二极管型号选用Infineon的BAR64-02V。

6.根据权利要求1所述的差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，其特征在于：所述下介质基板（4）为双面印刷电路板，双面印刷电路板的顶层为所述的金属反射地板（3），底层为所述的微带馈线（5）。

7.根据权利要求1所述的差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，其特征在于：所述介质贴片（1）为正方形介质贴片，位于上介质基板（2）的中心处。

8.根据权利要求1所述的差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，其特征在于：所述下介质基板（4）下底面还印刷有三个位于微带馈线侧部的分别用于控制三个PIN二极管（11、12、13）通断的偏置电路，所述偏置电路包括：用于接收偏置电压信号的第一金属焊盘（14）、通过电感（19）与该第一金属焊盘（14）连接的第二金属焊盘（15），和连接于第二金属焊盘（15）与耦合缝隙（8、9、10）第一侧边之间的电容（18），所述PIN二极管（11、12、13）的正极连接第二金属焊盘（15），PIN二极管（11、12、13）的负极连接耦合缝隙（8、9、10）第二侧边。

9.根据权利要求8所述的差分馈电的方向图可重构介质贴片天线，其特征在于：所述PIN二极管（11、12、13）的负极通过第一金属贴片（16）和金属化通孔连接金属反射地板（3），所述电容（18）通过第二金属贴片（17）和金属化通孔连接金属反射地板（3）。

Images