CN113594704B - 宽带三极化可重构的高增益微带天线 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种宽带三极化可重构的高增益微带天线。通过将多个极化方式集中在一个天线上，可以消除系统对分离天线的需求，并且通过各个输出端口的状态可以控制不同的极化方式，从而实现右旋圆极化、水平极化、垂直极化三种极化方式，通过结构上的设置，在各个极化方式下，能够具有宽频带和高增益的特性，且不需进行复杂的组阵，结构简单，能够满足复杂环境中系统的需求。

Description

宽带三极化可重构的高增益微带天线
技术领域
本申请涉及微带天线技术领域，特别是涉及一种宽带三极化可重构的高增益微带天线。
背景技术
近些年，极化可重构天线已经在无线通信系统和相关应用中引起了广泛的关注。极化可重构天线可以消除系统对分离天线的需求，通过切换直流(DC)控制信号灵活而便捷地调整天线辐射或接收电磁波信号的极化状态，这不仅能够降低衰减损耗、增强无线系统的通信容量，提高信道复用率，还能够极大限度地提高信号连接质量，扩大射频前端的动态范围。目前已经提出了多种实现极化可重构的技术，其中采用可切换的馈电网络是设计可重构天线的有效途径之一，但目前的极化可重构天线大多工作在低频段，极少有10GHz以上频段的极化可重构微带天线且天线一般工作在较窄的带宽范围内，不能满足宽频带的需求。
在一些特殊的应用场景中，要求天线实现极化可重构的同时还要满足高增益的性能。通常高增益特性可以通过将多个极化可重构天线单元排列成一个阵列来实现，但是对于通过馈电网络来实现可重构的天线单元来说，组成阵列将会产生一个复杂的馈电网络以及大量的直流偏置电路。这使得整个系统变得异常复杂，且成本通常比较高。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种结构简单、成本低的宽带三极化可重构的高增益微带天线。
一种宽带三极化可重构的高增益微带天线，所述天线包括：旋转馈电网络、曲流弯折线结构的馈源以及部分反射表面；
所述旋转馈电网络包括：阶梯型阻抗变换器、第一两级威尔金森功分器、第二两级威尔金森功分器、第三两级威尔金森功分器、第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口、直流偏置电路、180°微带移相器、第一90°微带移相器以及第二90°微带移相器；所述第一输出端的输出相位为0°，所述第二输出端的输出相位为90°，所述第三输出端的输出相位为180°，所述第四输出端的输出相位为270°；
所述阶梯型阻抗变换器的一端连接馈电端口，另一端连接所述第一两级威尔金森功分器的输入端，所述第一两级威尔金森功分器的输出端连接所述180°微带移相器；所述180°微带移相器的两个输出端，其中一端连接所述第二两级威尔金森功分器的输入端，另一端连接所述第三两级威尔金森功分器的输入端，所述第二两级威尔金森功分器的输出端连接所述第一90°微带移相器，所述第一90°微带移相器的两个输出端分别连接所述第一输出端口和所述第二输出端口，所述第三两级威尔金森功分器的输出端连接所述第二90°微带移相器，所述第二90°微带移相器的两个输出端分别连接所述第三输出端口和所述第四输出端口；
所述直流偏置电路分别连接在所述第一输出端口、所述第二输出端口、所述第三输出端口以及所述第四输出端口的输出支路上。
在其中一个实施例中，所述第一输出端口、所述第二输出端口、所述第三输出端口以及所述第四输出端口的输出支路上分别设置了隔直电容，用于避免直流信号对射频信号产生影响。在其中一个实施例中，输出支路上的输出端口侧上还设置了扼流电感，用于避免射频信号进入直流回路。
在其中一个实施例中，所述第一输出端口、所述第二输出端口、所述第三输出端口以及所述第四输出端口的输出支路上分别设置了PIN二极管，所述PIN二极管包括：开通状态和关断状态；所述开通状态下所述PIN二极管等效为电阻与电感串联，所述关断状态下所述PIN二极管等效为电容与电感串联。
在其中一个实施例中，所述馈电端口通过SMA接头对旋转馈电网络进行馈电，并且通过所述阶梯型阻抗变换器进行阻抗匹配。
在其中一个实施例中，所述第一两级威尔金森功分器将输入的信号分为两路等幅同相信号，将所述两路等幅同相信号输入所述180°微带移相器，得到两路等幅相位相差180°的信号。
在其中一个实施例中，所述第二两级威尔金森功分器将输入的信号分为两路等幅同相信号，将所述两路等幅同相信号输入所述第一90°微带移相器，得到两路等幅相位相差90°的信号；以及，所述第三两级威尔金森功分器将输入的信号分为两路等幅同相信号，将所述两路等幅同相信号输入所述第二90°微带移相器，得到两路等幅相位相差90°的信号。
在其中一个实施例中，所述曲流弯折线结构的馈源由四个曲流弯折线臂组成，四个曲流弯折线臂分别对应所述旋转馈电网络的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口以及第四输出端口，通过旋转馈电网络对四个曲流弯折线臂进行馈电以实现天线不同极化辐射状态的转变。
在其中一个实施例中，部分反射表面在12.5GHz～16GHz频段内反射相位呈现正相位梯度，满足宽带法布里珀罗腔谐振天线提高增益的原理，且在工作频段内的反射幅值均大于0.58。
在其中一个实施例中，所述旋转馈电网络印刷在厚度为0.508mm、介电常数为3的Rogers3003介质板上，曲流弯折线结构的馈源印制在厚度为2.44mm、介电常数为2.2的F4BM介质板上，部分反射表面印制在厚度为0.762mm的Rogers3003介质板上。
上述宽带三极化可重构的高增益微带天线，通过将多个极化方式集中在一个天线上，可以消除系统对分离天线的需求，并且通过各个输出端口的状态可以控制不同的极化方式，从而实现右旋圆极化、水平极化、垂直极化三种极化方式，通过结构上的设置，在各个极化方式下，能够具有宽频带和高增益的特性，且不需进行复杂的组阵，结构简单，能够满足复杂环境中系统的需求。
附图说明
图1为一个实施例中宽带三极化可重构的高增益微带天线整体结构示意图；
图2为一个实施例中宽带三极化可重构的高增益微带天线馈电网络结构示意图；
图3为一个实施例中PIN二极管的等效电路图；
图4为一个实施例中馈电网络的S参数示意图；
图5为一个实施例中曲流弯折线结构的结构示意图；
图6为一个实施例中部分反射面(PRS)单元结构的结构图；
图7为一个实施例中部分反射面(PRS)的反射幅值和相位随频率变化曲线；
图8为一个实施例中天线工作在右旋圆极化(RHCP)条件下天线的S11参数和增益曲线；
图9为一个实施例中天线工作于圆极化条件下的轴比参数示意图；
图10为一个实施例中天线工作于圆极化条件下的E面归一化方向图；
图11为一个实施例中天线工作于圆极化条件下的H面归一化方向图；
图12为一个实施例中天线工作在水平极化条件下天线的S11参数和增益曲线；
图13为一个实施例中天线工作于水平极化条件下的E面归一化方向图；
图14为一个实施例中天线工作于水平极化条件下的H面归一化方向图；
图15为一个实施例中天线工作在垂直极化条件下天线的S11参数和增益曲线；
图16为一个实施例中天线工作于垂直极化条件下的E面归一化方向图；
图17为一个实施例中天线工作于垂直极化条件下的H面归一化方向图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种宽带三极化可重构的高增益微带天线。天线包括：旋转馈电网络、曲流弯折线结构的馈源以及部分反射表面。
图2所示的旋转馈电网络包括：阶梯型阻抗变换器6、第一两级威尔金森功分器15、第二两级威尔金森功分器8、第三两级威尔金森功分器16、第一输出端口2、第二输出端口3、第三输出端口4、第四输出端口5、直流偏置电路9、180°微带移相器7、第一90°微带移相器10以及第二90°微带移相器17；第一输出端的输出相位为0°，第二输出端的输出相位为90°，第三输出端的输出相位为180°，第四输出端的输出相位为270°。
阶梯型阻抗变换器6的一端连接馈电端口1，另一端连接第一两级威尔金森功分器15的输入端，第一两级威尔金森功分器的输出端连接180°微带移相器7；180°微带移相器7的两个输出端，其中一端连接第二两级威尔金森功分器8的输入端，另一端连接第三两级威尔金森功分器16的输入端，第二两级威尔金森功分器的输出端连接第一90°微带移相器10，第一90°微带移相器10的两个输出端分别连接第一输出端口和所述第二输出端口，第三两级威尔金森功分器的输出端连接第二90°微带移相器，第二90°微带移相器17的两个输出端分别连接第三输出端口和所述第四输出端口；直流偏置电路分别连接在第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口以及第四输出端口的输出支路上。
上述宽带三极化可重构的高增益微带天线中，通过将多个极化方式集中在一个天线上，可以消除系统对分离天线的需求，并且通过各个输出端口的状态可以控制不同的极化方式，从而实现右旋圆极化、水平极化、垂直极化三种极化方式，通过结构上的设置，在各个极化方式下，能够具有宽频带和高增益的特性，且不需进行复杂的组阵，结构简单，能够满足复杂环境中系统的需求。
在其中一个实施例中，第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口以及第四输出端口的输出支路上分别设置了隔直电容12，用于避免直流信号对射频信号产生影响。在其中一个实施例中，输出支路上的输出端口侧上还设置了扼流电感13，用于避免射频信号进入直流回路。
在其中一个实施例中，第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口以及第四输出端口的输出支路上分别设置了PIN二极管14，PIN二极管14包括：开通状态和关断状态；开通状态下所述PIN二极管14等效为电阻与电感串联，关断状态下所述PIN二极管14等效为电容与电感串联，具体如图3所示。
本实施例中，PIN二极管设置在各个输出端口的支路上，从而可以通过PIN二极管的开关状态，来选择不同的支路开和闭的组合，从而实现不同极化方式的选择，无需从结构组合上进行重组，即可以进行极化方式的变化。
在其中一个实施例中，电端口通过SMA接头对旋转馈电网络进行馈电，并且通过所述阶梯型阻抗变换器进行阻抗匹配。
具体的，在本发明的参数设计下，可以是50欧姆的阻抗匹配。
在其中一个实施例中，第一两级威尔金森功分器将输入的信号分为两路等幅同相信号，将两路等幅同相信号输入180°微带移相器，得到两路等幅相位相差180°的信号。
在其中一个实施例中，第二两级威尔金森功分器将输入的信号分为两路等幅同相信号，将两路等幅同相信号输入第一90°微带移相器，得到两路等幅相位相差90°的信号；以及，第三两级威尔金森功分器将输入的信号分为两路等幅同相信号，将两路等幅同相信号输入第二90°微带移相器，得到两路等幅相位相差90°的信号。
具体的，如图4所示，图4中给出了馈电网络的S参数，天线的S11在12.2GHz～16GHz范围内均小于-10dB，四个输出端口的幅值都在-8dB左右，满足馈电网络对等幅输出的要求。且四个端口分别满足相位差90度、180度、270度左右，符合旋转馈电网络的要求。从S参数指标来看，该馈电网络性能良好，满足各项要求。
在其中一个实施例中，曲流弯折线结构的馈源由四个曲流弯折线臂组成，四个曲流弯折线臂分别对应旋转馈电网络的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口以及第四输出端口，通过旋转馈电网络对四个曲流弯折线臂进行馈电以实现天线不同极化辐射状态的转变，具体结构如图5所示。
在其中一个实施例中，部分反射表面在12.5GHz～16GHz频段内反射相位呈现正相位梯度，满足宽带法布里珀罗腔谐振天线提高增益的原理，且在工作频段内的反射幅值均大于0.58，图6是部分反射面(PRS)单元结构，图7为部分反射面(PRS)的反射幅值和相位随频率变化曲线。
在其中一个实施例中，旋转馈电网络印刷在厚度为0.508mm、介电常数为3的Rogers3003介质板上，曲流弯折线结构的馈源印制在厚度为2.44mm、介电常数为2.2的F4BM介质板上，部分反射表面印制在厚度为0.762mm的Rogers3003介质板上。
具体的，下面给出天线的仿真结果：图8为天线工作在右旋圆极化(RHCP)条件下天线的S11参数和增益曲线，天线在12.2-15GHz频段内S11均小于-10dB,增益峰值为12.27dBi；图9为圆极化天线的轴比参数，天线在14-15GHz轴比均小于3dB，天线圆极化性能优异；图10为天线的E面归一化方向图；图11为天线的H面归一化方向图；图12为天线工作在水平极化条件下天线的S11参数和增益曲线，天线在12.5-14.1GHz频段内S11均小于-10dB，增益峰值为9.5dBi；图13为天线的E面归一化方向图；图14为天线的H面归一化方向图；图15为天线工作在垂直极化条件下天线的S11参数和增益曲线，天线在13.7-14.7GHz频段内S11均小于-10dB，增益峰值为10.7dBi；图16为天线的E面归一化方向图；图17为天线的H面归一化方向图。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种宽带三极化可重构的高增益微带天线，其特征在于，所述天线包括：旋转馈电网络、曲流弯折线结构的馈源以及部分反射表面；
所述旋转馈电网络包括：阶梯型阻抗变换器、第一两级威尔金森功分器、第二两级威尔金森功分器、第三两级威尔金森功分器、第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口、第四输出端口、直流偏置电路、180°微带移相器、第一90°微带移相器以及第二90°微带移相器；所述第一输出端的输出相位为0°，所述第二输出端的输出相位为90°，所述第三输出端的输出相位为180°，所述第四输出端的输出相位为270°；
所述阶梯型阻抗变换器的一端连接馈电端口，另一端连接所述第一两级威尔金森功分器的输入端，所述第一两级威尔金森功分器的输出端连接所述180°微带移相器；所述180°微带移相器的两个输出端，其中一端连接所述第二两级威尔金森功分器的输入端，另一端连接所述第三两级威尔金森功分器的输入端，所述第二两级威尔金森功分器的输出端连接所述第一90°微带移相器，所述第一90°微带移相器的两个输出端分别连接所述第一输出端口和所述第二输出端口，所述第三两级威尔金森功分器的输出端连接所述第二90°微带移相器，所述第二90°微带移相器的两个输出端分别连接所述第三输出端口和所述第四输出端口；
所述直流偏置电路分别连接在所述第一输出端口、所述第二输出端口、所述第三输出端口以及所述第四输出端口的输出支路上。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一输出端口、所述第二输出端口、所述第三输出端口以及所述第四输出端口的输出支路上分别设置了隔直电容，用于避免直流信号对射频信号产生影响。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，输出支路上的输出端口侧上还设置了扼流电感，用于避免射频信号进入直流回路。
4.根据权利要求2或3所述的天线，其特征在于，所述第一输出端口、所述第二输出端口、所述第三输出端口以及所述第四输出端口的输出支路上分别设置了PIN二极管，所述PIN二极管包括：开通状态和关断状态；所述开通状态下所述PIN二极管等效为电阻与电感串联，所述关断状态下所述PIN二极管等效为电容与电感串联。
5.根据权利要求1至3任一项所述的天线，其特征在于，所述馈电端口通过SMA接头对旋转馈电网络进行馈电，并且通过所述阶梯型阻抗变换器进行阻抗匹配。
6.根据权利要求1至3任一项所述的天线，其特征在于，所述第一两级威尔金森功分器将输入的信号分为两路等幅同相信号，将所述两路等幅同相信号输入所述180°微带移相器，得到两路等幅相位相差180°的信号。
7.根据权利要求1至3任一项所述的天线，其特征在于，所述第二两级威尔金森功分器将输入的信号分为两路等幅同相信号，将所述两路等幅同相信号输入所述第一90°微带移相器，得到两路等幅相位相差90°的信号；
以及，所述第三两级威尔金森功分器将输入的信号分为两路等幅同相信号，将所述两路等幅同相信号输入所述第二90°微带移相器，得到两路等幅相位相差90°的信号。
8.根据权利要求1至3任一项所述的天线，其特征在于，所述曲流弯折线结构的馈源由四个曲流弯折线臂组成，四个曲流弯折线臂分别对应所述旋转馈电网络的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口以及第四输出端口，通过旋转馈电网络对四个曲流弯折线臂进行馈电以实现天线不同极化辐射状态的转变。
9.根据权利要求1至3任一项所述的天线，其特征在于，部分反射表面在12.5GHz～16GHz频段内反射相位呈现正相位梯度，满足宽带法布里珀罗腔谐振天线提高增益的原理，且在工作频段内的反射幅值均大于0.58。
10.根据权利要求1至3任一项所述的天线，其特征在于，所述旋转馈电网络印刷在厚度为0.508mm、介电常数为3的Rogers3003介质板上，曲流弯折线结构的馈源印制在厚度为2.44mm、介电常数为2.2的F4BM介质板上，部分反射表面印制在厚度为0.762mm的Rogers3003介质板上。
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