CN114204258B - 一种频率和极化方式可调圆极化天线和天线调节方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种频率和极化方式可调圆极化天线和天线调节方法，其在基片集成波导中轴线两侧设置有两个环形缝隙，相当于开设了两个cELC缝隙结构，在缝隙一侧放置二极管并在其下层施加偏置电路，通过偏置电路控制二极管的容值，以实现频率的调节和极化方式的切换。

Description

一种频率和极化方式可调圆极化天线和天线调节方法

技术领域

本申请涉及微波技术领域，特别涉及一种频率和极化方式可调圆极化天线。

背景技术

随着移动通信技术的不断发展，基片集成波导(Substrate IntegratedWaveguide，SIW)被广泛应用于平面结构的无源器件设计以及缝隙阵列天线设计中，其相对于传统金属波导而言同样具有良好的传播特性、高品质因数以及低辐射损耗等特点，同时又克服了传统金属波导在工艺及结构尺寸和重量上的不足，并且由于印刷电路板(PrintedCircuit Board，PCB)多层板制造工艺已日趋成熟，SIW的加工难度大大减小，使得其更容易在多层PCB或者低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)工艺中与其他无源器件一起集成。

天线根据其辐射电场末端运动轨迹有线极化、椭圆极化、以及圆极化之分，圆极化天线可以接收任意线极化的电磁波信号，在收发系统中其相对于线极化天线来说不需要进行严苛的极化匹配便可正常工作，并且由于其无法接收旋向相反的电磁波信号，因此其具有良好的抗干扰能力。但目前的圆极化天线中，频率和极化方式均是固定的，无法根据不同的使用情况进行调节。

发明内容

本申请的目的在于提供一种频率和极化方式可调圆极化天线，其能够改善上述问题。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请提供一种频率和极化方式可调圆极化天线，其包括：尺寸一致且重叠设置的上层介质基板和下层介质基板，

所述上层介质基板的顶面中央设置有第一金属板；所述上层介质基板的相对两侧分别设置有分别与所述第一金属板导通的第一馈入端和第二馈入端；

所述上层介质基板的中轴线沿所述第一馈入端朝向所述第二馈入端的方向延伸，所述第一金属板上且在所述中轴线的两侧分别设置有第一环形缝隙和第二环形缝隙；所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙所包围所述第一金属板的区域分别为第一区域和第二区域，所述第一金属板的其他区域为第三区域；

所述第一区域和所述第二区域上均设置有一个第一导电通孔，所述第一导电通孔分别延伸至所述下层介质基板的底面与对应的直流偏置线电连接；

所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙上还分别设置有两个二极管，所述第一环形缝隙上的所述二极管用于连通所述第一区域和所述第三区域，所述第二环形缝隙上的所述二极管用于连通所述第二区域和所述第三区域。

可以理解，本申请公开了一种频率和极化方式可调圆极化天线，其在基片集成波导中轴线两侧设置有两个环形缝隙，相当于开设了两个互补电感电容谐振(complimentaryelectric LC，cELC)缝隙结构，在缝隙一侧放置二极管并在其下层施加偏置电路，通过偏置电路控制二极管的容值，以实现极化方式的切换和频率的调节，从而匹配更多的使用情况。

其中，同时调节设置于第一环形缝隙和第二环形缝隙上的两个二极管的容值，可以调节该圆极化天线的工作频率。单独调节第一环形缝隙或者第二环形缝隙中某一个二极管的容值，可以调节该圆极化天线的极化方式。

在本申请可选的实施例中，所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙分别设置有第一PIN二极管和第二PIN二极管，所述第一PIN二极管的一端连接于所述第一区域，所述第一PIN二极管的另一端连接于所述第三区域，所述第二PIN二极管的一端连接于所述第二区域，所述第一PIN二极管的另一端连接于所述第三区域。

在本申请可选的实施例中，所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙均为H型环，所述H型环的侧边均与所述中轴线不平行。

更好地，第一环形缝隙和第二环形缝隙均为矩形环，该矩形环的侧边均与所述中轴线不平行。

可以理解，第一环形缝隙和第二环形缝隙偏离中轴线的距离影响着该圆极化天线的回波损耗和插入损耗。因此，本领域技术人员可以根据实际型号设定两个矩形环的位置和设置角度。

在本申请可选的实施例中，所述第一环形缝隙的侧边不与和所述第二环形缝隙的侧边也不平行。

更好地，第一环形缝隙和第二环形缝隙均为矩形环，该矩形环的侧边均与所述中轴线不平行。

可以理解，第一环形缝隙和第二环形缝隙之间的角度及距离影响着该圆极化天线轴比。因此，本领域技术人员可以根据实际型号设定两个矩形环相对角度。

在本申请可选的实施例中，所述直流偏置线的末端设计有扇型结构，防止直流信号干扰。

在本申请可选的实施例中，所述上层介质基板具有与所述中轴线平行的第一边缘和第二边缘，所第一边缘和所述第二边缘述相对设置，所述第一金属板沿所述第一边缘延伸有第一金属条，所述第一金属板沿所述第二边缘延伸有第二金属条，所述第一金属条和所述第二金属条上分别开设有第二导电通孔；所述上层介质基板的底面覆盖有第二金属板，所述第二导电通孔延伸至所述第二金属板。

在本申请可选的实施例中，在所述中轴线的延伸方向上，所述第一金属板的尺寸小于所述上层介质基板的尺寸；所述第一金属板在所述下层介质基板的正投影区域为第四区域，所述下层介质基板上除所述第四区域外的其他区域为第五区域；所述第五区域上设置有第三导电通孔，所述第三导电通孔与对应的所述第二导电通孔对应导通。

在本申请可选的实施例中，所述下层介质基板的底面上还设置有第三金属板和第四金属板，所述第三金属板和所述第四金属板均不与所述第四区域重叠，所述第三导电通孔分别延伸至所述第三金属板和所述第四金属板上。

在本申请可选的实施例中，所述第一馈入端和所述第二馈入端均通过SMA连接器馈入信号，且所述SMA连接器分别通过对应的所述微带线匹配结构与所述第一金属板导通。

其中，超小型A型(SubMiniature version A，SMA)连接器适用于频率范围直至26.5GHz的微波领域的应用。应用范围如电信通讯、网络、无线通讯以及检测和测量仪器。它具有频带宽、性能优、高可靠、寿命长的特点。

第二方面，本申请提供了天线调节方法，该方法应用于第一方面任一项所述的频率和极化方式可调圆极化天线，所述方法包括：

向所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙上的两个所述二极管同时分别加载第一容值和第二容值，保持所述第一容值和所述第二容值相同；

或者，

向所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙上的两个所述二极管同时分别加载第一容值和第二容值，保持所述第一容值和所述第二容值中的一个值不变，调节另一个值。

可以理解，同时调节设置于第一环形缝隙和第二环形缝隙上的两个二极管的容值，可以调节该圆极化天线的工作频率。单独调节第一环形缝隙和第二环形缝隙中某一个二极管的容值，可以调节该圆极化天线的极化方式。

有益效果：

本申请公开了一种频率和极化方式可调圆极化天线，其在基片集成波导中轴线两侧设置有两个环形缝隙，相当于开设了两个互补电感电容谐振(complimentary electricLC，cELC)缝隙结构，在缝隙一侧放置二极管并在其下层施加偏置电路，通过偏置电路控制二极管的容值，以实现频率的调节和极化方式的切换，从而匹配更多的使用情况。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举可选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本申请提供的一种频率和极化方式可调圆极化天线的结构示意图；

图2是图1所示的天线的上层介质基板顶面示意图；

图3是图1所示的天线的上层介质基板底面示意图；

图4是图1所示的天线的下层介质基板顶面示意图；

图5是是图1所示的天线的下层介质基板底面示意图；

图6为cELC谐振缝加载偏置电路和扇形结构示意图；

图7为cELC谐振缝的二极管加载示意图；

图8为在两个二极管同时加载不同的容值下，天线的仿真回波损耗随频率的变化图；

图9为在两个二极管同时加载不同的容值下，天线的仿真插入损耗随频率的变化图；

图10为在两个二极管同时加载不同的容值下，天线的仿真轴比随频率的变化图；

图11为在保持一个二极管加载的容值不变，改变另一个二极管加载的容值情况下，天线的仿真回波损耗随频率的变化图；

图12为在保持一个二极管加载的容值不变，改变另一个二极管加载的容值情况下，天线的仿真插入损耗随频率的变化图；

图13为在保持一个二极管加载的容值不变，改变另一个二极管加载的容值情况下，天线的仿真轴比随频率的变化图。

附图标号：

上层介质基板10、第二金属板11、SMA连接器12、微带线匹配结构13、下层介质基板20、第一金属板30、第一区域31、第二区域32、第三区域33、第一金属条34、第二金属条35、第一环形缝隙41、第二环形缝隙42、第一导电通孔51、第二导电通孔52、第三导电通孔53、直流偏置线60、二极管70、扇型结构80、第三金属板91、第四金属板92。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

第一方面，如图1至图7所示，本申请提供一种频率和极化方式可调圆极化天线，其包括：尺寸一致且重叠设置的上层介质基板10和下层介质基板20。

上层介质基板10的顶面中央设置有第一金属板30；上层介质基板10的相对两侧分别设置有分别与第一金属板30导通的第一馈入端和第二馈入端。

上层介质基板10的中轴线(图中虚线所示)沿第一馈入端朝向第二馈入端的方向延伸，第一金属板30上且在中轴线的两侧分别设置有第一环形缝隙41和第二环形缝隙42；第一环形缝隙41和第二环形缝隙42所包围第一金属板30的区域分别为第一区域31和第二区域32，第一金属板30的其他区域为第三区域33。

第一区域31和第二区域32上均分别设置有一个第一导电通孔51，第一导电通孔51分别延伸至下层介质基板20的底面与对应的直流偏置线60电连接。

如图7所示，第一环形缝隙41和第二环形缝隙42上还分别设置有两个二极管70，二极管70用于连通第一区域31或第二区域32与第三区域33。以第一环形缝隙41上的二极管70为例，第一环形缝隙41上的所述二极管70用于连通所述第一区域31和所述第三区域32，所述第二环形缝隙42上的所述二极管70用于连通所述第二区域32和所述第三区域33。

其中，第一环形缝隙41的作用是为了绝缘第一区域31和第三区域33，第二环形缝隙42的作用是为了绝缘第二区域32和第三区域33，因此第一环形缝隙41和第二环形缝隙42可以直接是镂空的缝隙，也可以是镂空缝隙后再填充其他绝缘材料的结构。

可以理解，本申请公开了一种频率和极化方式可调圆极化天线，其在基片集成波导中轴线两侧设置有两个环形缝隙，相当于开设了两个互补电感电容谐振(complimentaryelectric LC，cELC)缝隙结构，在缝隙一侧放置二极管并在其下层施加偏置电路，通过偏置电路控制二极管的容值，以实现极化方式的切换和频率的调节，从而匹配更多的使用情况。

其中，同时调节设置于第一环形缝隙41和第二环形缝隙42上的两个二极管的容值，可以调节该圆极化天线的工作频率。

其中，单独调节第一环形缝隙41和第二环形缝隙42中某一个二极管的容值，可以调节该圆极化天线的极化方式。

在本申请可选的实施例中，第一环形缝隙41和第二环形缝隙42分别设置有第一PIN二极管和第二PIN二极管，第一PIN二极管的一端连接于第一区域31，第一PIN二极管的另一端连接于第三区域33，第二PIN二极管的一端连接于第二区域32，第一PIN二极管的另一端连接于第三区域33。

其中，普通的二极管由PN结组成。在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，组成的这种P－I－N结构的二极管就是PIN二极管。正因为有本征(Intrinsic)层的存在，PIN二极管应用很广泛，从低频到高频的应用都有，主要用在RF领域，用作RF开关和RF保护电路，也有用作光电二极管(Photo Diode)。PIN二极管包括PIN光电二极管和PIN开关二极管。

如图1和图2所示，在本申请可选的实施例中，第一环形缝隙41和第二环形缝隙42均为H型环，H型环的侧边均与中轴线不平行。

可以理解，第一环形缝隙41和第二环形缝隙42偏离中轴线的距离影响着该圆极化天线的回波损耗和插入损耗。因此，本领域技术人员可以根据实际型号设定两个矩形环的位置和设置角度。

在本申请可选的实施例中，第一环形缝隙41的侧边和第二环形缝隙42的侧边也不平行。

可以理解，第一环形缝隙41和第二环形缝隙42之间的角度及距离影响着该圆极化天线轴比。因此，本领域技术人员可以根据实际型号设定两个矩形环相对角度。

如图5和图6所示，在本申请可选的实施例中，直流偏置线60的末端设计有扇型结构80，防止直流信号干扰。

在本申请可选的实施例中，上层介质基板10具有与中轴线平行的第一边缘和第二边缘，所第一边缘和所述第二边缘述相对设置，第一金属板30沿第一边缘延伸有第一金属条34，第一金属板30沿第二边缘延伸有第二金属条35，第一金属条34和第二金属条35上分别开设有第二导电通孔52；上层介质基板10的底面覆盖有第二金属板11，第二导电通孔52延伸至第二金属板11。

在本申请可选的实施例中，在中轴线的延伸方向上，第一金属板30的尺寸小于上层介质基板10的尺寸；第一金属板30在下层介质基板20的正投影区域为第四区域，下层介质基板20上除开第四区域的其他区域为第五区域；第五区域上设置有第三导电通孔53，第三导电通孔53与对应的第二导电通孔52对应导通。

在本申请可选的实施例中，下层介质基板20的底面上还设置有第三金属板91和第四金属板92，第三金属板91和第四金属板92均与第四区域不重叠，第三导电通孔53延伸至第三金属板91和第四金属板92上。

在本申请可选的实施例中，第一馈入端和第二馈入端均通过SMA连接器12馈入信号，且SMA连接器12分别通过对应的微带线匹配结构13与第一金属板30导通。

第二方面，本申请提供了天线调节方法，该方法应用于第一方面任一项的频率和极化方式可调圆极化天线，方法包括：

向第一环形缝隙和第二环形缝隙上的两个二极管同时分别加载第一容值和第二容值，保持第一容值和第二容值相同；

或者，

向第一环形缝隙和第二环形缝隙上的两个二极管同时分别加载第一容值和第二容值，保持第一容值和第二容值中的一个值不变，调节另一个值。

可以理解，同时调节设置于第一环形缝隙41和第二环形缝隙42上的两个二极管的容值，可以调节该圆极化天线的工作频率。

如图8至图10所示为本申请的圆极化天线在两个二极管同时加载不同的容值情况下的仿真回波损耗和插入损耗以及轴比随频率的变化图，可以看出当cELC谐振缝中加载的二极管的容值改变时，本申请的圆极化天线的回波损耗和插入损耗以及轴比都随之改变，工作频率发生相应的偏移，由此可以说明本申请的圆极化天线实施例具有频率可调的功能。

可以理解，单独调节第一环形缝隙41和第二环形缝隙42中某一个二极管的容值，可以调节该圆极化天线的极化方式。

如图11至图13所示为本申请的圆极化天线实施例在保持一个二极管加载的容值不变，改变另一个二极管加载的容值情况下仿真回波损耗和插入损耗以及轴比随频率的变化图，可以看出当C1＝C2＝0.05pF时，天线在5.37GHz工作频率上AR值为1.84，本申请的天线实施例此时为圆极化状态，而当C1保持不变而C2变化至0.1pF和0.15pF时，本申请的天线实施例的在5.37GHz工作频率上AR值为6.97和10.09，此时天线已经由圆极化转化为线极化。由此可以说明本申请的圆极化天线实施例具有极化方式可调的功能。需要注意的是本实例中保持C1不变而改变C2只是为了说明本申请的极化可调功能，同理情况下，保持C2不变而改变C1的值也足以说明上述功能，因此两种调节方式都应属于本申请的保护范围。

在本公开的各种实施方式中所使用的表述“第一”、“第二”、“所述第一”或“所述第二”可修饰各种部件而与顺序和/或重要性无关，但是这些表述不限制相应部件。以上表述仅配置为将元件与其它元件区分开的目的。例如，第一用户设备和第二用户设备表示不同的用户设备，虽然两者均是用户设备。例如，在不背离本公开的范围的前提下，第一元件可称作第二元件，类似地，第二元件可称作第一元件。

以上描述仅为本申请的可选实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种频率和极化方式可调圆极化天线，其特征在于，包括：尺寸一致且重叠设置的上层介质基板和下层介质基板，

所述上层介质基板的顶面设置有第一金属板；所述上层介质基板的相对两侧分别设置有分别与所述第一金属板导通的第一馈入端和第二馈入端；

所述上层介质基板的中轴线沿所述第一馈入端朝向所述第二馈入端的方向延伸，所述第一金属板上且在所述中轴线的两侧分别设置有第一环形缝隙和第二环形缝隙；所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙所包围所述第一金属板的区域分别为第一区域和第二区域，所述第一金属板的其他区域为第三区域；

所述第一区域和所述第二区域上均分别设置有一个第一导电通孔，所述第一导电通孔分别延伸至所述下层介质基板的底面与对应的直流偏置线电连接；

所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙上还分别设置有两个二极管，所述第一环形缝隙上的所述二极管用于连通所述第一区域和所述第三区域，所述第二环形缝隙上的所述二极管用于连通所述第二区域和所述第三区域；

所述上层介质基板具有与所述中轴线平行的第一边缘和第二边缘，所第一边缘和所述第二边缘相对设置，所述第一金属板沿所述第一边缘延伸有第一金属条，所述第一金属板沿所述第二边缘延伸有第二金属条，所述第一金属条和所述第二金属条上分别开设有第二导电通孔；

所述上层介质基板的底面覆盖有第二金属板，所述第二导电通孔延伸至所述第二金属板；

在所述中轴线的延伸方向上，所述第一金属板的尺寸小于所述上层介质基板的尺寸；

所述第一金属板在所述下层介质基板的正投影区域为第四区域，所述下层介质基板上除所述第四区域外的其他区域为第五区域；

所述第五区域上设置有第三导电通孔，所述第三导电通孔与对应的所述第二导电通孔对应导通；

所述下层介质基板的底面上还设置有第三金属板和第四金属板，所述第三金属板和所述第四金属板均不与所述第四区域重叠，所述第三导电通孔分别延伸至所述第三金属板和所述第四金属板上。

2.根据权利要求1所述的频率和极化方式可调圆极化天线，其特征在于，

所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙分别设置有第一PIN二极管和第二PIN二极管，所述第一PIN二极管的一端连接于所述第一区域，所述第一PIN二极管的另一端连接于所述第三区域，所述第二PIN二极管的一端连接于所述第二区域，所述第二PIN二极管的另一端连接于所述第三区域。

3.根据权利要求1所述的频率和极化方式可调圆极化天线，其特征在于，

所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙均为H型环，所述H型环的侧边均不与所述中轴线平行。

4.根据权利要求3所述的频率和极化方式可调圆极化天线，其特征在于，

所述第一环形缝隙的侧边不与所述第二环形缝隙的侧边平行。

5.根据权利要求1所述的频率和极化方式可调圆极化天线，其特征在于，

所述直流偏置线的一端设计有扇型结构。

6.根据权利要求1所述的频率和极化方式可调圆极化天线，其特征在于，

所述第一馈入端和所述第二馈入端均通过SMA连接器馈入信号，且所述SMA连接器分别通过对应的微带线匹配结构与所述第一金属板导通。

7.一种天线调节方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1至6任一项所述的频率和极化方式可调圆极化天线，所述方法包括：

向所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙上的两个所述二极管同时分别加载第一容值和第二容值，保持所述第一容值和所述第二容值相同；

或者，

向所述第一环形缝隙和所述第二环形缝隙上的两个所述二极管同时分别加载第一容值和第二容值，保持所述第一容值和所述第二容值中的一个值不变，调节另一个值。

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