CN113410662A - 一种基于pin二极管开关的宽带方向图可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线，所述天线包括磁电偶极子辐射单元、介质基板、反射地板、绝缘支撑螺柱，金属螺丝、Γ型探针馈电结构、直流偏置电路、PIN二极管以及贴片电容。介质基板一侧蚀刻磁电偶极子辐射单元的平面电偶极子结构以及直流偏置电路。平面电偶极子蚀刻为长度不等的三段，其缝隙中置入PIN二极管。贴片电容置入直流偏置电路中以隔断交流电流。本发明组建的方向图可重构天线具有结构简单，重量轻，宽带宽等优点，通过控制四组PIN二极管开关的通断，能实现三种不同方向图的工作模式。

Description

一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线
技术领域
本发明属于无线通信系统天线技术领域，具体涉及一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线。
背景技术
随着信息化技术的快速发展，无线通信变得越来越重要。在某些通信过程中，无线系统需要适时调整传输信号方向，而抑制来自其它方向的信号，或减少干扰噪音，这意味着作为无线通信系统重要组成部件的天线应具有适时的方向选择性。改变天线辐射方向的一般方法是使用相控阵天线技术，但是相控阵需要较多天线单元，占用较大空间。与天线匹配的馈电系统复杂，需要的部件如移相器、功分器等数目多、价格昂贵，使得系统的成本增加。而且馈电系统性能会受到工作环境等变化的影响，使得系统工作性能恶化。方向图可重构天线，则可以克服传统相控阵天线的这些弱点，它们可以保持工作频率不变，并适时改变方向图，而方向图的改变可以很容易地通过调整开关等加载器件来实现。
在方向图可重构天线上加载的开关元件主要有PIN二极管开关、微机械系统开关(MEMS)和变容二极管等，通过使用这些元件改变天线的辐射结构来切换天线的工作模式，实现天线的方向图可重构。这些开关的切换速度很快，通常是在几个微秒甚至几个纳秒内做出反应，使得天线在很短的时间内实现方向图可重构。
方向图可重构天线的设计难度之一在于如何解决天线不同辐射模式重合带宽过窄的问题。磁电偶极子天线自从2006年首次被提出以来，由于其超宽的带宽，稳定的辐射增益以及几乎一致的E面、H面辐射方向图得到了大量的研究和应用。因此设计提出一种宽带的方向图可重构磁电偶极子天线，是非常具有实际意义的。
发明内容
发明目的：本发明的目的是实现一种宽带的、结构简单的辐射方向图可重构磁电偶极子天线，在性能上，该类天线具有高增益、高辐射效率，宽阻抗带宽的特性，这类天线能够应用于现代无线通信系统。
技术方案：本发明的基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线包括磁电偶极子辐射单元、介质基板、反射地板、绝缘支撑螺柱，金属螺丝、Γ型探针馈电结构、直流偏置电路、PIN二极管以及贴片电容；
其中，所述的介质基板上的结构分为左、右两部分，所述的介质基板右边蚀刻磁电偶极子辐射单元的平面电偶极子结构以及直流偏置电路；在介质基板的左边置入PIN二极管；贴片电容置入直流偏置电路中以隔断交流电流；在所述的介质基板上的左、右两部分之间设有Γ型探针馈电结构；介质基板、反射地板通过绝缘支撑螺柱连接。
所述蚀刻在介质基板右边的磁电偶极子辐射单元的平面电偶极子结构被分为长度不等的三段，其长度分别对应工作频率下对应真空中波长的0.06、0.207以及0.284；通过改变至于三段水平电偶极子贴片缝隙间的PIN二极管开关的同端状态，天线能实现三种不同方向图的辐射。
所述蚀刻在介质基板左边的磁电偶极子辐射单元的平面电偶极子结构被分为长度不等的三段。
所述介质基板上的直流偏置电路，分别由六条直流导线通过反射地板上的过孔与直流电源相连。
所述的PIN二极管有4个，第一组PIN二极管开关、第二组PIN二极管开关设置在左边的平面电偶极子结构上，位于平面电偶极子结构中被分为长度不等的三段之间，即第一组PIN二极管开关位于第一段与第二段之间，第二组PIN二极管开关位于第二段与第三段之间；
第三组PIN二极管开关、第四组PIN二极管开关设置在右边的平面电偶极子结构上，位于平面电偶极子结构中被分为长度不等的三段之间，即第三组PIN二极管开关位于第一段与第二段之间，第四组PIN二极管开关位于第二段与第三段之间。
所述贴片电容包括第一贴片电容、第二贴片电容、第三贴片电容、第四贴片电容、第五贴片电容、第六贴片电容；其中，第一贴片电容、第二贴片电容、第三贴片电容分别位于左边平面电偶极子结构中被分为长度不等的三段上；第四贴片电容、第五贴片电容、第六贴片电容分别位于右边平面电偶极子结构中被分为长度不等的三段上。
有益效果：本发明与现有技术相比，显著的效果在于：第一、本发明提出的天线在频带内具有稳定的辐射方向图；第二、所述天线在频带内具有高辐射增益；第三、所述天线是基于互补天线概念的磁电偶极子天线，同时激励电偶极子及磁偶极子，所以能实现大带宽；第四、本发明所提出天线能实现三种不同辐射方向图的工作模式，波束宽度及波束指向都可随工作状态改变而改变；第五、本发明所述天线能在E面实现三种不同的方向图，而三种工作模式下其H面辐射方向图不变。第六、本发明所述的装置结构简单，加工容易，所述天线基于金属结构及PCB工艺，且直流偏置电流简单，加工简单，成本较低，利于大量生产。
附图说明
图1是本发明所述一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的三维结构示意图；
图2是本发明所述一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的俯视图；
图3是本发明所述一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的馈电结构三维结构以及尺寸示意图；
图4是本发明所述一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的模式一工作下天线反射系数的测量结果；
图5是本发明所述一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的模式二工作下天线反射系数的测量结果；
图6是本发明所述一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的模式三工作下天线反射系数的测量结果；
图7是本发明所述一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的模式一工作下天线E面和H面辐射方向图测量结果；
图8是本发明所述一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的模式二工作下天线E面和H面辐射方向图测量结果；
图9是本发明所述一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的模式三工作下天线E面和H面辐射方向图测量结果；
图中有，磁电偶极子辐射单元1、介质基板2、反射地板3、绝缘支撑螺柱4，金属螺丝5、Γ型探针馈电结构6、直流偏置电路7、PIN二极管8、第一组PIN二极管开关81、第二组PIN二极管开关82、第三组PIN二极管开关83、第四组PIN二极管开关84、贴片电感9、第一贴片电感91、第二贴片电感92、第三贴片电感93、第四贴片电感94、第五贴片电感95、第六贴片电感96。
具体实施方式
本发明是一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线，所述天线可用于现代点对点通信系统中。包括金属结构的磁电偶极子辐射单元、金属反射地板以及介质基板。
所述天线通过一个Γ型探针进行馈电，同时馈给电偶极子及磁偶极子，从而实现宽带宽。所述Γ型探针通过SMA接头连接到同轴馈电单元进行馈电。
进一步的，在介质基板的一侧蚀刻平面电偶极子的两臂以起到固定作用。平面电偶极子的两臂各被分为长度不等的三段，在其缝隙中置入四组PIN二极管，通过控制PIN二极管的通断状态，所述天线可实现三种不同的辐射工作状态。
更进一步的，直流偏置电路被蚀刻在介质基板一侧，通过直流导线连接到金属地板下方的直流电流以起到控制PIN二极管通断状态的作用。贴片电容被置入直流偏置电路中以隔断交流电流。
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。
如图1和图2所示，一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线。包括磁电偶极子辐射单元1、介质基板2、反射地板3、绝缘支撑螺柱4，金属螺丝5、Γ型探针馈电结构6、直流偏置电路7、PIN二极管8以及贴片电感9。
反射地板3由厚度为4毫米的铝制成，而天线垂直壁磁偶极子1和Γ型探针馈电结构6的由厚度为0.5毫米和0.2毫米的铜制成。Γ型探针馈电结构6的尺寸如图3所示，单位为毫米。
SMA连接器的内部导体连接到Γ探针馈源6，外部导体焊接到地面，该SMA连接器安装在接地平面的底部。将介质基板2放在机械部分的顶部，在介质基板2的底侧印刷水平电偶极子贴片1以及PIN二极管8、直流偏置电路7和隔直电感9。介质基板2材料为TYL-5，其厚度为1.575mm，相对介电常数为2.2。介质基板2长度Gw为183.2mm，宽度GL为72mm；三段水平电偶极子贴片1的长度分别为L1＝8mm，L2＝27mm，L3＝37mm；它们的宽度W＝50mm,水平贴片1两臂之间的间隙宽S＝26mm,天线垂直壁高度H＝27mm。
天线的两个水平贴片1分为三个不同长度的串联部分。为了控制它们的电子连接，在这些贴片之间的间隙中放置了四组共十二个PIN二极管8。因此，可以通过四个DC信号来控制放置在贴片之间的四个间隙上的四组PIN二极管8，并且平面电偶极子的两个臂上的PIN二极管的开关状态关于xoz平面镜像对称。印刷在介质基板下层的直流偏置电路7通过六条直流导线穿过地面上的钻孔，用于将介质基板2上的直流线7连接到天线下方的电池。
所述贴片电容9包含第一贴片电容91、第二贴片电容92、第三贴片电容93、第四贴片电容94、第五贴片电容95、第六贴片电容96，他们分别嵌入六条直流偏置线7中以隔断交流电流。
所述PIN二极管开关8包括第一组PIN二极管开关81、第二组PIN二极管开关82、第三组PIN二极管开关83、第四组PIN二极管开关84，第一组PIN二极管开关81被置入平面电偶极子贴片1左侧臂上第一段贴片与第二段贴片之间缝隙中；第二组PIN二极管开关82被置入平面电偶极子贴片1左侧臂上第二段贴片与第三段贴片之间缝隙中；第三组PIN二极管开关83被置入平面电偶极子贴片1右侧臂上第一段贴片与第二段贴片之间缝隙中；第四组PIN二极管开关84被置入平面电偶极子贴片1右侧臂上第二段贴片与第三段贴片之间缝隙中。
通过PIN二极管开关的状态，可实现天线辐射方向图可重构的特性。其辐射模式与对应PIN二极管开关8的导通状态如表1所示。
表1天线不同的工作模式
Figure BDA0003117219490000051
所述可重构天线在不同工作模式下的工作带宽测量结果如图4，图5和图6所示，三种模式都覆盖了1.53～2.6GHz的频段，呈现宽带宽的性能。目前无线通信在此可操作频带内应用广泛，包括2.45G WiFi，第四代移动通信Lte 4G。
所述可重构天线在不同工作模式下2.3GHz处的辐射方向图测量结果如图7，图8和图9所示。对于模式1和2，天线在E面显示单向辐射方向图，但是在模式2中，辐射方向图在E面上在±40°方向上显示有旁瓣。对于模式3，E面辐射方向图的最大增益方向指向±40°而不是天线的法向方向。在三种模式下工作的所述天线的H面的辐射方向图差异很小。
本实施例提出的一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线具有超宽带宽、增益稳定、方向图稳定、结构简单的特点。三种工作模式的重合带宽达52％，超宽带宽是本发明的特点。本发明开关采用PIN二极管，其具有响应频率高、响应速度快、工作稳定以及实现简单等优点，很大程度上提高了系统的稳定性和准确性。具有广泛的应用前景。

Claims (6)

1.一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线，其特征在于：所述天线包括磁电偶极子辐射单元(1)、介质基板(2)、反射地板(3)、绝缘支撑螺柱(4)，金属螺丝(5)、Γ型探针馈电结构(6)、直流偏置电路(7)、PIN二极管(8)以及贴片电容(9)；
其中，所述的介质基板(2)上的结构分为左、右两部分，所述的介质基板(2)右边蚀刻磁电偶极子辐射单元(1)的平面电偶极子结构以及直流偏置电路(7)；在介质基板(2)的左边置入PIN二极管(8)；贴片电容(9)置入直流偏置电路(7)中以隔断交流电流；在所述的介质基板(2)上的左、右两部分之间设有Γ型探针馈电结构(6)；介质基板(2)、反射地板(3)通过绝缘支撑螺柱(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线，其特征在于：所述蚀刻在介质基板(2)右边的磁电偶极子辐射单元(1)的平面电偶极子结构被分为长度不等的三段，其长度分别对应工作频率下对应真空中波长的0.06、0.207以及0.284；通过改变至于三段水平电偶极子贴片缝隙间的PIN二极管(8)开关的同端状态，天线能实现三种不同方向图的辐射。
3.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线，其特征在于：所述蚀刻在介质基板(2)左边的磁电偶极子辐射单元(1)的平面电偶极子结构被分为长度不等的三段。
4.根据权利要求3所述的一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的实现方法，其特征在于：所述介质基板(2)上的直流偏置电路(7)，分别由六条直流导线通过反射地板(3)上的过孔与直流电源相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的实现方法，其特征在于：所述的PIN二极管(8)有4个，第一组PIN二极管开关(81)、第二组PIN二极管开关(82)设置在左边的平面电偶极子结构上，位于平面电偶极子结构中被分为长度不等的三段之间，即第一组PIN二极管开关(81)位于第一段与第二段之间，第二组PIN二极管开关(82)位于第二段与第三段之间；
第三组PIN二极管开关(83)、第四组PIN二极管开关(84)设置在右边的平面电偶极子结构上，位于平面电偶极子结构中被分为长度不等的三段之间，即第三组PIN二极管开关(83)位于第一段与第二段之间，第四组PIN二极管开关(84)位于第二段与第三段之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于PIN二极管开关的宽带方向图可重构天线的实现方法，其特征在于：所述贴片电容(9)包括第一贴片电容(91)、第二贴片电容(92)、第三贴片电容(93)、第四贴片电容(94)、第五贴片电容(95)、第六贴片电容(96)；其中，第一贴片电容(91)、第二贴片电容(92)、第三贴片电容(93)分别位于左边平面电偶极子结构中被分为长度不等的三段上；第四贴片电容(94)、第五贴片电容(95)、第六贴片电容(96)分别位于右边平面电偶极子结构中被分为长度不等的三段上。
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