CN113644452A - 一种极化及方向图可重构的天线 - Google Patents

一种极化及方向图可重构的天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种极化及方向图可重构的天线，属于天线技术领域。该天线包括：上层介质板、金属支柱、下层介质板、圆环形天线、扇形金属贴片、金属地，所述圆环形天线印刷于上层介质板的上表面，所述圆环形天线在角度为α、α+90°、α+180°、α+270°上设有馈电端口，所述上层介质板的圆心与下层介质板的圆心位于同一轴线上，且上层介质板和下层介质板之间的距离为1mm，所述上层介质板和下层介质板通过金属支柱与馈电端口连接，所述下层介质板的上表面印刷有四个扇形金属贴片，所述下层介质板的下表面上印刷有金属地。本发明的天线可以大大减小天线的剖面，满足可穿戴天线小型化的要求，实现极化可重构和方向图可重构。

Description

一种极化及方向图可重构的天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体地涉及一种极化及方向图可重构的天线。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，智能天线被广泛认为作为提高通信质量和频谱利用率的关键技术，智能天线可调节波束自适应地将无线电信号导向用户方向，而旁瓣和零点指向其他可能的传入干扰信号。近些年，极化和方向图可重构天线由于他们在增加信道容量，抑制干扰和克服多径衰弱等方面的优势受到了广泛的关注。此外，未来随着通信技术向5G的迈进，空间的限制使得紧凑，低剖面的天线结构更具竞争力。可穿戴天线作为可穿戴系统中一个重要组成部分，工作在高介电常数和高损耗正切的人类手腕附近，天线的匹配以及辐射性能将会受到严重影响；且现有的可穿戴天线大多是定向辐射，为了减少天线辐射对人体的影响，一般在天线下方四分之一波长处放置金属反射板，从而导致天线有较大的体积。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种极化及方向图可重构的天线。该天线以圆环形天线作为辐射器，由扇形金属贴片、下层介质板、金属地组成高阻抗表面，可以大大减小天线的剖面，满足可穿戴天线小型化的要求，通过使用最大功率传输效率法改变四个馈电端口的幅值和相位以实现极化可重构和方向图可重构。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种极化及方向图可重构的天线，包括：上层介质板、金属支柱、下层介质板、圆环形天线、扇形金属贴片、金属地，所述圆环形天线印刷于上层介质板的上表面，所述圆环形天线在角度为α、α+90°、α+180°、α+270°上设有馈电端口，所述上层介质板的圆心与下层介质板的圆心位于同一轴线上，且上层介质板和下层介质板之间的距离为1mm，所述上层介质板和下层介质板通过金属支柱与馈电端口连接，所述下层介质板的上表面印刷有四个扇形金属贴片，所述下层介质板的下表面上印刷有金属地。
进一步地，所述上层介质板的材料为FR-4，所述上层介质板的介电常数为4.4，损耗正切角为0.02，半径为13mm，厚度为2mm。
进一步地，所述圆环形天线的外环半径为13mm，内环半径为8mm。
进一步地，所述下层介质板的材料为Rogers Duroid 5880，所述下层介质板的介电常数为2.2，损耗正切角为0.001，半径为35mm，高度为1.575mm。
进一步地，所述扇形金属贴片均以下层介质板的圆心为圆心，所述属性金属贴片的外半径均为29.8mm，所述扇形金属贴片之间的圆心角间隔为20°。
进一步地，所述金属地的半径为35mm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明天线以圆环形天线作为辐射器，以扇形金属贴片、下层介质板、金属地组成高阻抗表面，高阻抗表面具有理想磁导体的特性，可以减小天线与反射板之间的距离，具有较小的天线体积，加载高阻抗表面的天线具有低剖面、高增益、低后瓣的特点，满足可穿戴天线性能的要求。本发明基于最大功率传输效率法，通过改变各个馈电端口的幅值和相位，可以实现方位角平面上的任意方向的线极化、左旋圆极化、右旋圆极化；同样改变馈电端口的幅值和相位可以实现θ=25°平面上的波束扫面，从而实现方向图及极化可重构两种特性。
附图说明
图1为本发明极化及方向图可重构的天线的结构示意图；
图2为本发明极化及方向图可重构的天线的俯视图；
图3为本发明极化及方向图可重构的天线侧视图；
图4为本发明极化及方向图可重构的天线的仿真反射系数(S11)图；
图5为本发明极化及方向图可重构的天线在θ=25°平面=0°、
Figure 707259DEST_PATH_IMAGE001
=90°、
Figure 540085DEST_PATH_IMAGE001
=180°、
Figure 431818DEST_PATH_IMAGE001
= 270°的辐射方向图；
图6为本发明极化及方向图可重构的天线的左旋圆极化辐射方向图：图6中的（a）为在xz平面的左旋圆极化辐射方向图，图6中的（b）为在yz平面的左旋圆极化辐射方向图；
图7为本发明极化及方向图可重构的天线的右旋圆极化辐射方向图：图7中的（a）为在xz平面的右旋圆极化辐射方向图，图7中的（b）为在yz平面的右旋圆极化辐射方向图；
图8为本发明极化及方向图可重构的天线在方位角平面
Figure 350096DEST_PATH_IMAGE001
=0°方向线极化图：图8 中的（a）为E面上方位角平面
Figure 1788DEST_PATH_IMAGE001
=0°的方向线极化图，图8中的（b）为H面上方位角平面
Figure 423542DEST_PATH_IMAGE001
=0°的 方向线极化图；
图9为本发明极化及方向图可重构的天线在方位角平面
Figure 751755DEST_PATH_IMAGE001
=45°方向线极化图：图9 中的（a）为E面上方位角平面
Figure 891749DEST_PATH_IMAGE001
=45°的方向线极化图，图9中的（b）为H面上方位角平面
Figure 347133DEST_PATH_IMAGE001
=45° 的方向线极化图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细描述。
参见图1-3，本发明的极化及方向图可重构的天线包括：上层介质板1、金属支柱2、下层介质板3、圆环形天线4、扇形金属贴片5、金属地6，圆环形天线4印刷于上层介质板1的上表面，以圆环形天线作为辐射器，圆环形天线4在角度为α、α+90°、α+180°、α+270°上设有馈电端口，上层介质板1的圆心与下层介质板3的圆心位于同一轴线上，且上层介质板1和下层介质板3之间的距离为1mm，天线的匹配接近50欧姆，使得天线的谐振点在3.5GHz附近，同时使天线有更小的体积；上层介质板1和下层介质板3通过金属支柱2与馈电端口连接，金属支柱2作为馈电线的同时，可作为上层介质板与下层介质板3的支撑柱。下层介质板3的上表面印刷有四个扇形金属贴片5，下层介质板3的下表面上印刷有金属地6，由扇形金属贴片、下层介质板、金属地组成高阻抗表面，实现天线的小型化低后瓣以及高增益，可以大大减小天线的剖面，满足可穿戴天线小型化的要求。通过馈电端口与同轴的内芯连接，使得同轴的内芯自上方的圆环形天线1通到下方的高阻抗表面，不破化高阻抗表面的物理结构。
本发明中上层介质板1的材料为FR-4，上层介质板1的介电常数为4.4，损耗正切角为0.02，半径为13mm，厚度为2mm，本发明中圆环形天线4的外环半径为13mm，内环半径为8mm，将外环半径设置为13mm，使得圆形天线4的外环圆周长约等于一个工作波长，使得天线为全波谐振；本发明中下层介质板3的材料为Rogers Duroid 5880，下层介质板3的介电常数为2.2，损耗正切角为0.001，半径为35mm，高度为1.575mm，使得以扇形金属贴片、下层介质板、金属地组成高阻抗表面的0°反射相位落在3.5GHz，可以很好的发挥圆形高阻抗表面，使天线具有高增益，低后瓣的特点。本发明中扇形金属贴片5均以下层介质板3的圆心为圆心，属性金属贴片5的外半径均为29.8mm，扇形金属贴片5之间的圆心角间隔为20°，本发明中金属地6的半径为35mm。
如图4为本发明极化及方向图可重构的天线的仿真反射系数(S11)图，从图中可以 看出该天线的带宽为3.03-3.71GHz，谐振频率为3.5GHz，可以很好的覆盖中国电信的5G频 段，适用于可穿到领域。如图5为发明极化及方向图可重构的天线在
Figure 888972DEST_PATH_IMAGE002
=25°平面
Figure 388087DEST_PATH_IMAGE001
=0°、
Figure 15377DEST_PATH_IMAGE001
= 90°、
Figure 5943DEST_PATH_IMAGE001
=180°、
Figure 667868DEST_PATH_IMAGE001
=270°的辐射方向图，该天线的每个方向半功率波束宽度在170°左右，可以 完全覆盖
Figure 72305DEST_PATH_IMAGE002
=25°平面；如图6为极化及方向图可重构的天线的左旋圆极化辐射方向图，从图6 中的（a）和（b）可以看出，该天线在xz平面、yz平面上的左旋圆极化辐射方向的半功率波束 宽度均为60°左右，在
Figure 203203DEST_PATH_IMAGE002
=0°方向上的最大增益为10dBi左右，在后向
Figure 718498DEST_PATH_IMAGE002
=180°的增益为-40dBi 左右，因此，前后比为50db左右，说明本发明中的圆形高阻抗表面有很好的抑制后向辐射的 效果。如图7为本发明极化及方向图可重构的天线的右旋圆极化辐射方向图，同理，从图7中 的（a）和（b）可以看出，该天线在xz平面、yz平面上的右旋圆极化辐射方向的半功率波束宽 度为60°左右，在
Figure 500509DEST_PATH_IMAGE002
=0°方向上最大增益为10dBi左右，在后向
Figure 341426DEST_PATH_IMAGE002
=180°的增益为-40dBi左右，因 此，前后比为50db左右，说明本发明中的圆形高阻抗表面有很好的抑制后向辐射的效果。如 图8为发明极化及方向图可重构的天线在方位角平面
Figure 694041DEST_PATH_IMAGE001
=0°方向线极化图，从图8中的（a）和 （b）可以看出，在方位角平面
Figure 278606DEST_PATH_IMAGE001
=0°方向线极化时，半功率波束宽度为60°左右，在
Figure 649545DEST_PATH_IMAGE002
=0°方向 上的最大增益为10dBi左右，在后向
Figure 661363DEST_PATH_IMAGE002
=180°的增益为-10dBi左右，前后比为20db左右，说明 天线在线极化的情况下前后比有所减小。如图9本发明极化及方向图可重构的天线在方位 角平面
Figure 235695DEST_PATH_IMAGE001
=45°方向线极化图，从图9中的（a）和（b）可以看出，在方位角平面
Figure 623951DEST_PATH_IMAGE001
=45°方向线极 化时，半功率波束宽度为60°左右，在
Figure 849396DEST_PATH_IMAGE002
=0°方向上的最大增益为10dBi左右，在后向
Figure 32116DEST_PATH_IMAGE002
=180°上 增益为-10dBi左右，前后比在20db左右，说明天线在线极化的情况下前后比有所减小。
本发明的天线覆盖中国电信5G试用频段(3400-3500Mhz)，其工作频段仿真结果为3.03-3.71GHz，适用于可穿戴领域。本发明的5G可穿戴天线通信稳定，在远场处放置相同谐振频率的接收天线，基于最大功率传输效率法，改变四个馈电端口的幅值和相位，能够实现在θ=25°平面不同角度进行波束扫描，也可以在+z方向进行定向辐射，同时也可以在方位角平面实现任意方向线极化及左右旋圆极化。与2016年，台北科技大学的Yen-Sheng Chen，Ting-Yu Ku等人在“A Low-Profile Wearable Antenna Using a Miniature HighImpedance Surface for Smartwatch Applications,”(IEEE Antennas WirelessPropag. Lett., vol. 15, pp. 1144-1147, 2016)中提出的基于高阻抗表面的可穿戴手表天线相比较，本发明的天线可以实现θ=30°平面上的波束扫描以及方位角平面任意方向的线极化以及左旋圆极化和右旋圆极化，可以有效提高无线系统的通信容量，消除极化失配以及扩大天线辐射覆盖面积等作用。与2016年，鲁汶大学的Sen Yan，Guy A. E.Vandenbosch等人在“Radiation Pattern-Reconfigurable Wearable Antenna Based onMetamaterial Structure,”(IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 15, pp.1715-1718, 2016)中提出的基于超材料结构的方向图可重构可穿戴天线相比较，本发明的天线可以在方位角平面实现任意方向的线极化以及左旋，右旋圆极化，大大减小了因为极化失配带来的辐射效率的降低。该极化及方向图可重构可穿戴天线可以有效避免极化失配，同时在天线位置发生改变时仍然能与外界保持良好的通信，加载的高阻抗表面结构能够很好的抑制后瓣，有效减少天线对人体的辐射，非常适用于未来可穿戴天线领域。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种极化及方向图可重构的天线，其特征在于，包括：上层介质板（1）、金属支柱（2）、下层介质板（3）、圆环形天线（4）、扇形金属贴片（5）、金属地（6），所述圆环形天线（4）印刷于上层介质板（1）的上表面，所述圆环形天线（4）在角度为α、α+90°、α+180°、α+270°上设有馈电端口，所述上层介质板（1）的圆心与下层介质板（3）的圆心位于同一轴线上，且上层介质板（1）和下层介质板（3）之间的距离为1mm，所述上层介质板（1）和下层介质板（3）通过金属支柱（2）与馈电端口连接，所述下层介质板（3）的上表面印刷有四个扇形金属贴片（5），所述下层介质板（3）的下表面上印刷有金属地（6）。
2.根据权利要求1所述极化及方向图可重构的5G可穿戴天线，其特征在于，所述上层介质板（1）的材料为FR-4，所述上层介质板（1）的介电常数为4.4，损耗正切角为0.02，半径为13mm，厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述极化及方向图可重构的天线，其特征在于，所述圆环形天线（4）的外环半径为13mm，内环半径为8mm。
4.根据权利要求1所述极化及方向图可重构的天线，其特征在于，所述下层介质板（3）的材料为Rogers Duroid 5880，所述下层介质板（3）的介电常数为2.2，损耗正切角为0.001，半径为35mm，高度为1.575mm。
5.根据权利要求1所述极化及方向图可重构的天线，其特征在于，所述扇形金属贴片（5）均以下层介质板（3）的圆心为圆心，所述属性金属贴片（5）的外半径均为29.8mm，所述扇形金属贴片（5）之间的圆心角间隔为20°。
6.根据权利要求1所述极化及方向图可重构的天线，其特征在于，所述金属地（6）的半径为35mm。
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