CN113745814A - 一种可重构双波束周期性漏波天线 - Google Patents

一种可重构双波束周期性漏波天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可重构的双波束周期性微带漏波天线，包括金属地板、微带线、短截线、介质板、PIN二极管、第一电感、第一直流偏置线、第一直流焊盘、第二电感、第二直流偏置线、第二直流焊盘；微带线和短截线位于介质板的上表面，金属地板位于介质板的下表面；PIN二极管与微带线连接，PIN二极管与短截线连接；短截线与第一电感连接；第一电感与第一直流偏置线连接；第一直流偏置线与第一直流焊盘连接；PIN二极管、短截线、PIN二极管、第一电感、第一直流偏置线、第一直流焊盘形成一个辐射单元，其中短截线作为辐射元；所述的辐射单元设有若干个；所述的第二电感与微带线连接，第二电感依次与第二直流偏置线、第二直流焊盘连接；所述的微带线的两端均设有馈电探针。

Description

一种可重构双波束周期性漏波天线
技术领域
本发明涉及通讯天线技术领域，更具体的，涉及一种可重构双波束周期性漏波天线。
背景技术
漏波天线是一种很有吸引力的行波天线，具有结构简单，能提供频率扫描波束，窄波束，高增益和低轮廓的特点。大部分的周期性漏波天线都是在一个导波结构上引入一系列周期性的不连续性(开口或狭缝)来产生辐射的。利用空间谐波理论，将周期孔径场扩展为无限次的空间谐波项，其中快波可以辐射，慢波作为表面波被束缚在天线孔径上。该类型天线的辐射由n＝-1空间谐波贡献，表现为单波束辐射模式。通过改变漏波天线的频率可获得可切换波束。然而，当系统需要固定频率的可切换光束时，这种特性给漏波天线带来了挑战。近年来，人们提出了各种技术来实现固定频率的漏波天线可切换波束。利用可重构天线对空间进行电子扫描，是一种比频率扫描更实用的方法。
常用的固定频率波束角可重构漏波天线实现方案有：
1)采用容性调谐元件(如变容二极管)的漏波天线。
2)利用PIN二极管构成的二进制开关。
3)基于变容二极管负载的复合右/左(CRLH)传输线结构。
然而，上述现有技术都可以实现漏波天线在固定频率下辐射方向图的可重构，但已有的研究只是将频率扫描转变成电子扫描，其辐射方向图仍然是单波束辐射。为了满足多用户通信的要求，双波束天线或多波束天线更具有适用性，双波束扫描天线可以同时与两个用户或设备建立无线连接，可以提供灵活多样的波束覆盖。因此，设计一种可以自主调控两个波束辐射是否辐射的可重构双波束辐射天线很具有实际价值。
发明内容
本发明为了解决以上现有技术存在的缺陷与不足，提供了一种可重构双波束周期性漏波天线，实现了可重构的双波束扫描，兼具频率扫描功能，提供了较宽的阻抗带宽，同时具备低剖面，易集成和容易加工的优点。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：
一种可重构的双波束周期性微带漏波天线，包括金属地板、微带线、短截线、介质板、PIN二极管、第一电感、第一直流偏置线、第一直流焊盘、第二电感、第二直流偏置线、第二直流焊盘；
所述的微带线和短截线位于介质板的上表面，所述的金属地板位于介质板的下表面；
所述的PIN二极管的一端与微带线的一侧连接，PIN二极管的另一端与短截线的一端连接；所述的短截线的另一端与第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端与第一直流偏置线的一端连接；所述的第一直流偏置线的另一端与第一直流焊盘连接；
所述的PIN二极管、短截线、PIN二极管、第一电感、第一直流偏置线、第一直流焊盘形成一个辐射单元，其中所述的短截线作为辐射元；
所述的辐射单元设有若干个，依次设置在微带线的一侧；
所述的第二电感的一端与微带线的另一侧连接，所述的第二电感的另一端依次与第二直流偏置线、第二直流焊盘连接；
所述的微带线的两端均设有馈电探针，所述的馈电探针进行馈电。
本发明的工作原理如下：
本发明采用PIN二极管作为开关元器件调节辐射元与传输线之间的连接，通过控制不同的PIN二极管的通断，实现以不同周期的辐射单元进行工作，从而获得多个不同的空间谐波的辐射，可人为调控天线以单波束模式或双波束模式辐射，兼具波束扫描功能，提供了灵活多变的波束覆盖范围，解决了传统多波束天线波束不可调的问题。
本发明在微带线引入不同周期的短截线作为辐射元，不同的周期对应不同的空间谐波辐射，并且都取第n＝-1次空间谐波，从而实现了不同方向角的两个高增益主波束扫描辐射，解决了传统周期性天线较难辐射出多波束方向图的问题，可满足更多用户通信。
优选地，所述的辐射单元设有58个，均都垂直于微带线，相邻两个辐射单元之间等间距设置。
优选地，所述的短截线的长度为9.5mm，宽度为0.9mm。
优选地，所述的微带线的宽度为3mm，长度为300mm。
优选地，所述PIN二极管在直流偏置时等效为5.2Ω的电阻，在零偏时等效为0.018pF的电容，正向导通电压为1.33V；所述的PIN二极管的正极与短截线的一端连接，PIN二极管的负极与微带线的一侧连接。
进一步地，所述辐射单元之间的间距均为5mm。
优选地，所述第一电感、第二电感的电感值为3.3nH。
优选地，所述的第一直流偏置线的长度为5mm，宽度为0.5mm；第二直流偏置线的长度为14.9mm，宽度为0.5mm。
优选地，所述第一直流焊盘、第二直流焊盘的形状均为正方形，边长均为2.5mm，其边缘与介质板长边的距离均为1.5mm；所述的直流焊盘通过焊接的方式与导线连接，外接恒压电源对PIN二极管进行直流偏置。
优选地，所述的介质板的长度为300mm，宽度为42.8mm，厚度为1mm。
本发明的有益效果如下：
本发明采用PIN二极管作为开关元器件调节辐射单位以不同周期进行工作，从而获得多个不同的空间谐波的辐射，可人为调控天线以单波束模式或双波束模式辐射，兼具波束扫描功能，提供了灵活多变的波束覆盖范围，解决了传统多波束天线波束不可调的问题。并且都取第n＝-1次空间谐波，从而实现了不同方向角的两个高增益主波束扫描辐射，解决了传统周期性天线较难辐射出多波束方向图的问题，可满足更多用户通信。
附图说明
图1为本实施例所述的周期性漏波天线的透视图；
图2为本实施例所述的周期性漏波天线的俯视图；
图3是本实施例所述的周期性漏波天线的侧视图；
图4是本实施例的反射系数图；
图5是本实施例的传输系数图；
图6是本实施例的峰值增益和总效率图；
图7是本实施例工作在10GHz下三种模式的辐射方向图；
图8是本实施例工作在9.5GHz，phi＝0°的滚动角平面上的辐射方向图。
图9是本实施例工作在9.7GHz，phi＝0°的滚动角平面上的辐射方向图。
图10是本实施例工作在10GHz，phi＝0°的滚动角平面上的辐射方向图。
图11是本实施例工作在10.5GHz，phi＝0°的滚动角平面上的辐射方向图。
图中，1-介质板，2-金属地板，3-微带线，4-短截线，5-PIN二极管，6-第一电感，7-第一直流偏置线，8-第一直流焊盘，9-第二电感，10-第二直流偏置线，11-第二直流焊盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
如图1、图2、图3所示，一种可重构的双波束周期性微带漏波天线，包括金属地板2、微带线3、短截线4、介质板1、PIN二极管5、第一电感6、第一直流偏置线7、第一直流焊盘8、第二电感9、第二直流偏置线10、第二直流焊盘11；
所述的微带线3和短截线4位于介质板1的上表面，所述的金属地板2位于介质板1的下表面；
所述的PIN二极管5的一端与微带线3的一侧连接，PIN二极管5的另一端与短截线4的一端连接；所述的短截线4的另一端与第一电感6的一端连接；所述第一电感6的另一端与第一直流偏置线7的一端连接；所述的第一直流偏置线7的另一端与第一直流焊盘8连接；
所述的PIN二极管5、短截线4、PIN二极管5、第一电感6、第一直流偏置线7、第一直流焊盘8形成一个辐射单元，其中所述的短截线4作为辐射元；
所述的辐射单元设有若干个，依次设置在微带线3的一侧；
所述的第二电感9的一端与微带线3的另一侧连接，所述的第二电感9的另一端依次与第二直流偏置线10、第二直流焊盘11连接；
所述的微带线3的两端均设有馈电探针，所述的馈电探针进行馈电。
本实施例的工作原理如下：
本实施例采用PIN二极管5作为开关元器件调节辐射元与传输线之间的连接，通过控制不同的PIN二极管5的通断，实现以不同周期的辐射单元进行工作，从而获得多个不同的空间谐波的辐射，可人为调控天线以单波束模式或双波束模式辐射，兼具波束扫描功能，提供了灵活多变的波束覆盖范围，解决了传统多波束天线波束不可调的问题。
本发明在微带线3引入不同周期的短截线4作为辐射元，不同的周期对应不同的空间谐波辐射，并且都取第n＝-1次空间谐波，从而实现了不同方向角的两个高增益主波束扫描辐射，解决了传统周期性天线较难辐射出多波束方向图的问题，可满足更多用户通信。
在一个具体的实施例中，所述的辐射单元设有58个，均都垂直于微带线3，相邻两个辐射单元之间等间距设置。每组短截线4与微带线3之间的间距为0.4mm，用于焊接PIN二极管5。每组短截线4与第一直流偏置线7之间的间距为1mm，用于焊接第一电感6。所述辐射单元之间的间距均为5mm。
在本实施例中，将短截线4以P1＝3Δp与微带线3连接时设为模式1；将短截线4以P2＝4Δp与微带线3连接时设为模式2；将短截线4以P3＝3Δp&4Δp与微带线3连接时设为模式3。模式1与模式2均为单波束辐射模式，模式3为双波束辐射模式。其中Δp＝5mm表示短截线4之间的一个单位距离。
在一个具体的实施例中，所述的短截线4的长度为9.5mm，宽度为0.9mm。所述的微带线3的宽度为3mm，长度为300mm。所述的第一直流焊盘8、第二直流焊盘11与介质板1的长边的距离都为1.5mm。位于微带线3两端的短截线4与介质板1的宽边的距离都为7mm。
在一个具体的实施例中，所述PIN二极管5在直流偏置时等效为5.2Ω的电阻，在零偏时等效为0.018pF的电容，正向导通电压为1.33V；所述的PIN二极管5的正极与短截线4的一端连接，PIN二极管5的负极与微带线3的一侧连接。，所述PIN二极管5可以使用的是MACOM公司生产的MA4AGFCP910。
在一个具体的实施例中，所述第一电感6、第二电感9的电感值为3.3nH。所述的第一电感6、第二电感9可以采用muRata(村田)公司生产的LQW15AN3N3G80D。
在一个具体的实施例中，所述的第一直流偏置线7的长度为5mm，宽度为0.5mm；第二直流偏置线10的长度为14.9mm，宽度为0.5mm。
在一个具体的实施例中，所述第一直流焊盘8、第二直流焊盘11的形状均为正方形，边长均为2.5mm，其边缘与介质板1长边的距离均为1.5mm；所述的直流焊盘通过焊接的方式与导线连接，外接恒压电源对PIN二极管5进行直流偏置。
在一个具体的实施例中，所述介质板1为固体电介质，所述的介质板1的长度为300mm，宽度为42.8mm，厚度为1mm。所述的介质板1的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
在一个具体的实施例中，所述金属地板2和介质板1的背面为等大矩形，且与介质板1的横截面的维度一致。所述金属地板2和微带线3为平面结构，且都紧贴介质板1。所述的周期性漏波天线采用印刷电路板技术制作而成。
图4是本实施例的反射系数曲线图，从图4中可以看出当频率为8.2GHz-14GHz时，模式1与模式2的|S11|<-10dB。当频率为8.2GHz-10.3GHz与10.8GHz-14GHz时，模式3|S11|<-10dB，在较宽的频带内实现了阻抗匹配。
图5是本实施例的传输系数曲线图，从图5中可以看出，当选定频率10GHz为固定频率时，模式1的|S21|＝-10.3dB，模式2的的|S21|＝-6.12dB，模式3的的|S21|＝-9.03dB，超过一半的能量被辐射出去而不被负载吸收。
图6是本实施例在双波束辐射模式下的峰值增益和总效率图，从图6可以看出，当金属地板2的维度为有限值时，仿真结果显示，频率在9.5GHz-10.5GHz的频带内的峰值增益都比较高，要注意，这里是双波束辐射下的每个波束峰值增益。结果表明天线最大峰值增益有13.61dB。
图7是本实施例工作在10GHz下的辐射方向图，从图中方向图可以看出，通过调节PIN二极管5的通断，来控制实际与微带线3连接的短截线4的周期，该天线可人为调控成单波束辐射模式或双波束辐射模式。如图中的模式1与模式2，是很明显的单波束辐射模式，而模式3则存在两个波束，其辐射角度与模式1与模式2一致，并且增益下降3dB，刚好是单波束辐射时的一半。因此可以认为这两个波束是两个单波束的叠加。
图8～11是本实施例分别工作在9.5GHz，9.7GHz,10GHz和10.5GHz在phi＝0°的滚动角平面上的辐射方向图。从图中方向图可以看出，该天线具有良好的双波束辐射性能，波束平衡性较好，同时兼具波束扫描功能，交叉极化可以忽略。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可重构的双波束周期性微带漏波天线，其特征在于：包括金属地板、微带线、短截线、介质板、PIN二极管、第一电感、第一直流偏置线、第一直流焊盘、第二电感、第二直流偏置线、第二直流焊盘；
所述的微带线和短截线位于介质板的上表面，所述的金属地板位于介质板的下表面；
所述的PIN二极管的一端与微带线的一侧连接，PIN二极管的另一端与短截线的一端连接；所述的短截线的另一端与第一电感的一端连接；所述第一电感的另一端与第一直流偏置线的一端连接；所述的第一直流偏置线的另一端与第一直流焊盘连接；
所述的PIN二极管、短截线、PIN二极管、第一电感、第一直流偏置线、第一直流焊盘形成一个辐射单元，其中所述的短截线作为辐射元；
所述的辐射单元设有若干个，依次设置在微带线的一侧；
所述的第二电感的一端与微带线的另一侧连接，所述的第二电感的另一端依次与第二直流偏置线、第二直流焊盘连接；
所述的微带线的两端均设有馈电探针，所述的馈电探针进行馈电。
2.根据权利要求1所述的可重构的双波束周期性微带漏波天线，其特征在于：所述的辐射单元设有58个，均都垂直于微带线，相邻两个辐射单元之间等间距设置。
3.根据权利要求1所述的可重构的双波束周期性微带漏波天线，其特征在于：所述的短截线的长度为9.5mm，宽度为0.9mm。
4.根据权利要求1所述的可重构的双波束周期性微带漏波天线，其特征在于：所述的微带线的宽度为3mm，长度为300mm。
5.根据权利要求1所述的可重构的双波束周期性微带漏波天线，其特征在于：所述PIN二极管在直流偏置时等效为5.2Ω的电阻，在零偏时等效为0.018pF的电容，正向导通电压为1.33V；所述的PIN二极管的正极与短截线的一端连接，PIN二极管的负极与微带线的一侧连接。
6.根据权利要求2所述的可重构的双波束周期性微带漏波天线，其特征在于：所述辐射单元之间的间距均为5mm。
7.根据权利要求1所述的可重构的双波束周期性微带漏波天线，其特征在于：所述第一电感、第二电感的电感值为3.3nH。
8.根据权利要求1所述的可重构的双波束周期性微带漏波天线，其特征在于：所述的第一直流偏置线的长度为5mm，宽度为0.5mm；第二直流偏置线的长度为14.9mm，宽度为0.5mm。
9.根据权利要求1所述的可重构的双波束周期性微带漏波天线，其特征在于：所述第一直流焊盘、第二直流焊盘的形状均为正方形，边长均为2.5mm，其边缘与介质板长边的距离均为1.5mm；所述的直流焊盘通过焊接的方式与导线连接，外接恒压电源对PIN二极管进行直流偏置。
10.根据权利要求1所述的可重构的双波束周期性微带漏波天线，其特征在于：所述的介质板的长度为300mm，宽度为42.8mm，厚度为1mm。
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