CN113809531B - 一种基于可开关引向器的方向图可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种基于可开关引向器的方向图可重构天线，属于天线技术领域。包括基板，基板包括微波介质基片构成的上层和下层；还包括粘贴在上层上表面的介质谐振器；上层的上表面刻蚀环绕介质谐振器外侧且相对称的一对金属臂；下层的下表面蚀刻功分器；上层的上表面设置环绕介质谐振器外围且相对称的一对可开关引向器；可开关引向器到介质谐振器中心的距离大于金属臂到介质谐振器中心的距离；基板的上层和下层之间设置金属地；金属地在基板上的垂直投影面积大于介质谐振器在基板上的垂直投影面积；基板的上层和下层的表面设置金属通孔；金属臂通过金属通孔从上至下贯通基板与功分器连接；金属臂与功分器构成天线的馈电结构。

Description

一种基于可开关引向器的方向图可重构天线
技术领域
本发明具体涉及一种基于可开关引向器的方向图可重构天线，属于天线技术领域。
背景技术
近年来，无线通信技术得到飞速发展，天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件,在无线通信系统中起到了举足轻重的作用。目前无线通信系统发展的重要方向是大容量、多功能、超宽带，为满足这一需求，同一平台上搭载的天线数量相应增加，而天线数目的增加必将导致系统成本、重量、体积的增加，同时也带来了电磁兼容方面的问题。为了克服这种束缚，使整个通信系统性能尽可能少地受到天线的制约，可重构天线应运而生。
现有的方向图可重构天线大多指通过在天线辐射体或者天线馈电结构中引入MEMS开关、二极管开关或场效应管开关等来改变天线方向图的指向。然而，如今复杂多变的通信环境不仅需要不同指向的辐射方向图，还需要完全不同种类的方向图以提供不同的辐射性能和覆盖范围。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，目的在于提供一种具备全向辐射和端向辐射两种方向图的可重构天线。全向辐射方向图具备360°全覆盖的优越特性，而端向辐射方向图具备高增益、低干扰的特性。这两类方向图的结合，对天线多功能、小型化的发展具有重要意义。
本发明采取的技术方案如下：
一种基于可开关引向器的方向图可重构天线，包括基板，所述基板包括微波介质基片构成的上层和下层；还包括粘贴在上层上表面的介质谐振器；所述上层的上表面刻蚀环绕介质谐振器外侧且相对称的一对金属臂；所述下层的下表面蚀刻功分器；所述上层的上表面设置环绕介质谐振器外围且相对称的一对可开关引向器；所述可开关引向器到介质谐振器中心的距离大于金属臂到介质谐振器中心的距离；所述基板的上层和下层之间设置金属地；所述金属地在基板上的垂直投影面积大于介质谐振器在基板上的垂直投影面积；所述基板的上层和下层的表面设置金属通孔；所述金属臂通过金属通孔从上至下贯通基板与功分器连接；所述金属臂与功分器构成天线的馈电结构。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述介质谐振器与金属臂相接触，其TE01δ模式由流经金属臂的电流激励得到。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述可开关引向器由两个接近的弧形金属带条与连接这两个弧形金属带条的二极管构成。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述金属地上设置两个圆形缺口；所述金属通孔设置在圆形缺口中。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述功分器包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、两个圆形贴片；所述第三微带线为连续垂直弯折的微带线且第三微带线的两端分别与两个圆形贴片连接；所述第一微带线的一端与第二微带线的一端连接；所述第二微带线的另一端与第三微带线的中心点相连接；所述第一微带线、第二微带线、第三微带线的宽度参数用于调节天线的反射系数；所述金属臂通过金属通孔从上至下贯通基板与圆形贴片连接。
本发明所述的一种基于可开关引向器的方向图可重构天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明利用介质谐振器来获得不同种类的辐射方向图，天线的辐射效率较金属的方向图可重构天线高。介质谐振器的TE01δ模式由对称放置的两个金属臂激励得到，介质谐振器中的电场绕方位角分布均匀，全向方向图的不圆度极低。
当引向器中的二极管导通，靠近介质谐振器放置的引向器就能汇聚天线辐射的波束。此外，其寄生效应使得介质谐振器的原本均匀分布的电场产生偏移，这有利于获得良好的端射性能。当引向器中的二极管断开，引向器的引向功能遭到破坏，断开的引向器对天线辐射的影响很小，保证了全向辐射方向图的圆度。
靠近介质谐振器放置的可开关引向器在实现了重构天线方向图的同时也保证了结构整体的紧凑性，使得天线的平面尺寸较其他可重构天线小。
附图说明
图1为本发明的结构示意图一；
图2为本发明的结构示意图二；
图3为本发明天线工作在状态1时的反射系数曲线；
图4为本发明天线工作在状态1时的辐射方向图；
图5为本发明天线工作在状态2时的反射系数曲线；
图6为本发明天线工作在状态2时的辐射方向图；
图7为本发明天线工作在状态3时的反射系数曲线；
图8为本发明天线工作在状态3时的辐射方向图；
附图中，1-基板；2-介质谐振器；3-金属臂；4-可开关引向器；41-弧形金属带条；42-二极管；5-金属地；51-圆形缺口；6-金属通孔；7-功分器；71-第一微带线；72-第二微带线；73-第三微带线；74-圆形贴片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1至图2所示，一种基于可开关引向器的方向图可重构天线，包括基板1，基板1包括微波介质基片构成的上层和下层；还包括粘贴在上层上表面的介质谐振器2；上层的上表面刻蚀环绕介质谐振器2外侧且相对称的一对金属臂3；下层的下表面蚀刻功分器7；上层的上表面设置环绕介质谐振器2外围且相对称的一对可开关引向器4；可开关引向器4到介质谐振器2中心的距离大于金属臂3到介质谐振器2中心的距离；基板1的上层和下层之间设置金属地5；金属地5在基板1上的垂直投影面积大于介质谐振器2在基板1上的垂直投影面积；基板1的上层和下层的表面设置金属通孔6；金属臂3通过金属通孔6从上至下贯通基板1与功分器7连接；金属臂3与功分器7构成天线的馈电结构。
介质谐振器2与金属臂3相接触，其TE01δ模式由流经金属臂3的电流激励得到。可开关引向器4由两个接近的弧形金属带条41与连接这两个弧形金属带条41的二极管42构成。金属地5上设置两个圆形缺口51；金属通孔6设置在圆形缺口51中。
功分器7包括第一微带线71、第二微带线72、第三微带线73、两个圆形贴片74；第三微带线73为连续垂直弯折的微带线且第三微带线73的两端分别与两个圆形贴片74连接；第一微带线71的一端与第二微带线72的一端连接；第二微带线72的另一端与第三微带线73的中心点相连接；第一微带线71、第二微带线72、第三微带线73的宽度参数用于调节天线的反射系数；金属臂3通过金属通孔6从上至下贯通基板1与圆形贴片74连接。
当在二极管42两侧施加0V电压时，二极管42断开；在其两侧施加1V的正向电压时，二极管42导通。通过控制二极管42的通断，即可切换天线的方向图。
当本发明天线中位于左侧，以图2中z轴正方向为左的二极管42导通，而位于右侧的二极管42断开时，如图3至图4，天线处于状态1，此时天线提供朝向左侧的端射方向图。在该状态下天线的峰值增益为4.5dBi，同时其前后比大于12dB，展现出良好的端射性能。此外，该状态下天线的带内辐射效率高，大于79％。
如图5至图6，当本发明天线中位于左侧的二极管42断开，而位于右侧的二极管42导通时，天线处于状态2，此时天线提供朝向左侧的端射方向图。在该状态下天线的峰值增益为4.5dBi，前后比大于12dB，效率高于79％，除辐射方向相反之外，各性能与状态1相一致。
如图7至图8，当本发明天线中的两个二极管42接断开时，天线处于状态3，此时天线提供朝水平方向上的全向辐射方向图。在该状态下天线E面方向图上的增益波动小于1dB，表现出极佳的全向辐射性能，且带内效率高于88％。
此外，本发明天线的平面尺寸仅为0.46λ0×0.57λ0，其中λ0为中心频率5GHz所对应的自由空间的波长。
本发明能够提供两个辐射方向相反的端射状态与一个水平方向上的全向辐射状态。此外，本发明还具有辐射效率高、结构简单紧凑、状态切换方便等优势。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于可开关引向器的方向图可重构天线，包括基板（1），所述基板（1）包括微波介质基片构成的上层介质基片和下层介质基片；其特征在于，还包括粘贴在上层介质基片上表面的介质谐振器（2）；所述上层介质基片的上表面刻蚀环绕介质谐振器（2）外侧且相对称的一对金属臂（3）；所述下层介质基片的下表面蚀刻功分器（7）；所述上层介质基片的上表面设置环绕介质谐振器（2）外围且相对称的一对可开关引向器（4）；对称的一对金属臂(3)与对称的一对可开关引向器(4)环绕在介质谐振器(2)的不同圆周位置上；所述可开关引向器（4）到介质谐振器（2）中心的距离大于金属臂（3）到介质谐振器（2）中心的距离；所述基板（1）的上层介质基片和下层介质基片之间设置金属地（5）；所述金属地（5）在基板（1）上的垂直投影面积大于介质谐振器（2）在基板（1）上的垂直投影面积；所述基板（1）上设置金属通孔（6）；所述金属臂（3）通过金属通孔（6）从上至下贯通基板（1）与功分器（7）连接；所述金属臂（3）与功分器（7）构成天线的馈电结构；所述可开关引向器（4）由两个接近的弧形金属带条（41）与连接这两个弧形金属带条（41）的二极管（42）构成。
2.根据权利要求1所述的基于可开关引向器的方向图可重构天线，其特征在于，所述介质谐振器（2）与金属臂（3）相接触，其TE01δ模式由流经金属臂（3）的电流激励得到。
3.根据权利要求1所述的基于可开关引向器的方向图可重构天线，其特征在于，所述金属地（5）上设置两个圆形缺口（51）；所述金属通孔（6）设置在圆形缺口（51）中。
4.根据权利要求1所述的基于可开关引向器的方向图可重构天线，其特征在于，所述功分器（7）包括第一微带线（71）、第二微带线（72）、第三微带线（73）、两个圆形贴片（74）；所述第三微带线（73）为连续垂直弯折的微带线且第三微带线（73）的两端分别与两个圆形贴片（74）连接；所述第一微带线（71）的一端与第二微带线（72）的一端连接；所述第二微带线（72）的另一端与第三微带线（73）的中心点相连接；所述第一微带线（71）、第二微带线（72）、第三微带线（73）的宽度参数用于调节天线的反射系数；所述金属臂（3）通过金属通孔（6）从上至下贯通基板（1）与圆形贴片（74）连接。
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