CN114204265A - 基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线 - Google Patents

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CN114204265A CN202111322535.7A CN202111322535A CN114204265A CN 114204265 A CN114204265 A CN 114204265A CN 202111322535 A CN202111322535 A CN 202111322535A CN 114204265 A CN114204265 A CN 114204265A
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Abstract

本发明提供一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其中，基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线由上至下依次包括：第一介质基板，所述第一介质基板的上表面设置有第一基面，所述第一介质基板的下表面设置有接地层，其中，所述第一基面为由2n个金属贴片以间断形式围绕形成的环形，n为大于或等于2的正整数，相邻所述金属贴片沿所述环形的中心向外依次桥接有变容二极管和集总电容，所述金属贴片在沿所述中心向外的顶点处设置有直流偏置点，以及第二介质基板，所述第二介质基板的下表面设置有宽带正交馈电网络。通过本发明不仅能够产生圆极化辐射模式，谐振频率也可以连续调节。

Description

基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线。
背景技术
圆极化天线的设计在卫星通信和导航领域具有重要意义。通常，卫星导航系统具有多个工作频段。使用多个独立的天线覆盖不同的工作频带可能会导致设备体积的增加，因此，射频孔径的集成设计至关重要。可重构天线的研究为天线孔径综合提供了一种有效的技术途径。因此，对于无线射频系统来说，可重构圆极化天线是一种兼顾系统性能和射频孔径体积的理想选择。
相关技术可知，大多数可重构圆极化天线工作在离散的频带内，或者，即使实现了连续谐振频率调节也无法改变工作频带内的极化方式。
发明内容
本发明提供一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，用以解决现有技术中圆极化天线的频率可重构与极化可重构难以并存的缺陷，实现了圆极化天线不仅可以产生圆极化辐射模式，谐振频率也可以连续调节。
本发明提供一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线由上至下依次包括：第一介质基板，所述第一介质基板的上表面设置有第一基面，所述第一介质基板的下表面设置有接地层，其中，所述第一基面为由2n个金属贴片以间断形式围绕形成的环形，n为大于或等于2的正整数，相邻所述金属贴片沿所述环形的中心向外依次桥接有变容二极管和集总电容，所述金属贴片在沿所述中心向外的顶点处设置有直流偏置点，以及第二介质基板，所述第二介质基板的下表面设置有宽带正交馈电网络。
根据本发明提供的一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述宽带正交馈电网络包括二级宽带威尔森功分器、90°移相器和180°移相器，其中，所述90°移相器和180°移相器共用一个枝节线。
根据本发明提供的一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述宽带正交馈电网络包括三个枝节线，其中，所述90°移相器包括第一枝节线和第三枝节线，所述180°移相器包括所述第一枝节线和第二枝节线。
根据本发明提供的一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述第一枝节线、所述第二枝节线和所述第三枝节线分别设置有pin二极管。
根据本发明提供的一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述第一基面为由四个矩形金属贴片以间断形式围绕形成的环形。
根据本发明提供的一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述第一介质基板与所述第二介质基板采用相同材料制作而成。
根据本发明提供的一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述接地层为金属层。
根据本发明提供的一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述接地层设置有通孔。
本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，通过在圆极化天线各独立的金属贴片之间桥接变容二级管以及集总电容，可以实现各金属贴片的直流隔离与交流连通，进而确保圆极化天线不仅能够产生圆极化辐射模式，谐振频率也可以连续调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的结构示意图之一；
图2是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线中第一基面的结构示意图之一；
图3是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线中接地层的结构示意图之一；
图4是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线中宽带正交馈电网络的结构示意图之一；
图5是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的反射系数结果图；
图6是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的轴比结果图；
图7a是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的左旋圆极化典型频段工作模式方向图之一；
图7b是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的左旋圆极化典型频段工作模式方向图之二；
图7c是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的左旋圆极化典型频段工作模式方向图之三；
图7d是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的右旋圆极化典型频段工作模式方向图之一；
图7e是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的右旋圆极化典型频段工作模式方向图之二；
图7f是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的右旋圆极化典型频段工作模式方向图之三；
图8是本发明提供的宽带正交馈电网络输出相位差与幅度差结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
相关技术可知，可重构天线可以为天线孔径综合提供一种有效的技术途径。对于无线射频系统来说，可重构圆极化天线是一种兼顾系统性能和射频孔径体积的理想选择。然而，大多数可重构圆极化天线工作在离散的频带内，或者，即使实现了连续谐振频率调节也无法改变工作频带内的极化方式。
本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，基于2n个独立的辐射体(又可以称为金属贴片)，通过在2n个辐射体之间的十字谐振槽上加载变容二极管，不仅可以确保天线产生圆极化辐射模式，而且也能保证谐振频率连续调节。
本发明将结合下述实施例对本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的结构进行说明。
图1是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的结构示意图之一。
在本发明一示例性实施例中，如图1所示，基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线100由上至下依次可以包括第一介质基板102和第二介质基板104。下面将分别介绍各部件。
在一示例中，第一介质基板102的上表面设置有第一基面101，第一介质基板102的下表面设置有接地层103。需要说明的是，第一基面101为由2n个金属贴片以间断形式围绕形成的环形，其中，n为大于或等于2的正整数，相邻金属贴片沿环形的中心向外依次桥接有变容二极管和集总电容，金属贴片在沿中心向外的顶点处设置有直流偏置点。在应用过程中，各金属贴片可以作为基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线100的独立辐射体，用以实现基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线100的直流电位的良好隔离。进一步的，通过在相邻金属贴片的缝隙桥接变容二极管，并在独立的金属贴片之间的缝隙外侧加载集总电容，用以实现交流联通。
在又一示例中，第二介质基板104的下表面设置有宽带正交馈电网络105。其中，宽带正交馈电网络105可以是一金属面。通过本实施例，可以在不影响基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线100整体辐射性能的前提下，实现直流电位的良好隔离。
在一示例中，第一介质基板102和第二介质基板104可以采用相同材料制作而成。例如，第一介质基板102和第二介质基板104可以使用Rogers5880TM材料制作而成，其中，该材料的介电常数为2.2，介质损耗为0.0009。在一示例中，第一介质基板102的厚度可以为1.575mm，第二介质基板104的厚度可以为0.787mm。
本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，通过在天线各独立的金属贴片之间桥接变容二级管以及集总电容，可以实现各金属贴片的直流隔离与交流连通，进而确保圆极化天线不仅能够产生圆极化辐射模式，谐振频率也可以连续调节。
为了进一步介绍基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的结构，本发明将结合下述实施例分别对基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线中的第一基面101、接地层103以及宽带正交馈电网络105的结构进行说明。
图2是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线中第一基面的结构示意图之一。
在本发明一示例性实施例中，如图2所示，第一基面101是由2n个金属贴片1011以间断形式围绕形成的环形。在本实施例中，以第一基面101由四个金属贴片1011以间断形式围绕形成为例进行说明。可以理解的是，金属贴片1011以间断形式围绕形成第一基面101，可以在第一基面101上形成缝隙1012。由于缝隙1012的存在，可以确保基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线100直流电位的良好隔离。进一步的，通过在相邻金属贴片1011的缝隙1012桥接变容二极管1013，并在独立的金属贴片1011之间的缝隙1012外侧加载集总电容1014，可以实现基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线100的交流联通。在本实施例中，可以桥接四个变容二极管1013和八个集总电容。
在一示例中，可以在每个金属贴片1011在沿中心向外的顶点处设置有直流偏置点1015。例如，在本实施例中，可以设置有四个直流偏置点1015，其中，位于对角位置的两个直流偏置点1015可以用于接地连接，位于对角位置的另外两个直流偏置点1015可以用于为变容二极管1013提供直流偏置。进一步的，为了确保基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线100的正常工作，还可以在第一基面101上设置馈点1016，在本实施例中，可以在第一基面101上设置两个馈点1016，并通过馈点1016为基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线100馈电。
图3是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线中接地层的结构示意图之一。
下面将结合图3描述本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线中接地层的结构。
在本公开一示例性实施例中，如图3所示，在一示例中，接地层103可以是金属层，通过该金属层实现基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的接地连接。接地层103可以包括有通孔。基于通孔实现第一基面101中的直流偏置点1015的接地连接或电压接入。在一示例中，通孔可以包括直流偏置点通孔1031、短路终端接地点通孔1032和馈点通孔1033。在本实施例中，接地层103设置有四个直流偏置点通孔1031，可以理解的是，直流偏置点通孔1031与第一基面101上的直流偏置点1015相对应。
在一示例中，第一基面101上的两个位于对角位置的直流偏置点1015可以通过相对应的直流偏置点通孔1031金属连接接地层103，用以实现接地。第一基面101上的另外两个位于对角位置的直流偏置点1015可以通过相对应的直流偏置点通孔1031与宽带正交馈电网络105进行金属连通，连接至直流偏置点1056，并通过在宽带正交馈电网络105上的直流偏置点1056处施加电压，来实现对直流偏置点1015处偏置电压的接入，进而为变容二极管1013提供直流偏置，例如，0-20V电压。
继续以上述实施例为例进行说明，接地层103还设置有短路终端接地点通孔1032。宽带正交馈电网络105中的移相支路可以通过短路终端接地点通孔1032实现接地连接，进而为宽带正交馈电网络105引入短路枝节线，用以拓展宽带正交馈电网络105的工作带宽。
图4是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线中宽带正交馈电网络的结构示意图之一。
在本公开一示例性实施例中，为了实现圆极化工作模式，需要对基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线进行馈电。在本实施例中，第二介质基板104的下表面设置有宽带正交馈电网络105。其中，宽带正交馈电网络105可以是一个金属面，由一个二级宽带威尔金森功分器、一个90°移相器与一个180°移相器构成，其中，90°移相器和180°移相器共用一个枝节线。
如图4所示，宽带正交馈电网络105包括有三个枝节线，即第一枝节线1051、第二枝节线1052和第三枝节线1053。其中，90°移相器包括第一枝节线1051和第三枝节线1053，180°移相器包括第一枝节线1051和第二枝节线1052。90°移相器与180°移相器的引入使得第一枝节线1051与第三枝节线1053，第二枝节线1052和第三枝节线1053输出正交相位。
在又一实施例中，为了实现移相网络宽带化，可以在第一枝节线1051、第二枝节线1052以及第三枝节线1053分别设置有pin二极管1054(图中仅示出一个pin二极管)，用以为移相支路引入短路枝节和断路枝节，拓展正交移相网络的工作带宽，并补偿因移相器枝节长度不同而带来的损耗差异。进一步的，引入的短路终端和开路终端的枝节具有更好的相位分散特性，可通过调整短路枝节与开路枝节的尺寸来控制相位变化相对于频率的斜率。其中，短路终端通过通孔连接接地层103，实现金属联通。与此同时，为了实现+90°与-90°两种输出模式的切换，在宽带正交馈电网络105待切换的第一枝节线1051与第二枝节线1052加载pin二极管1054，由于要保持移相器两路幅相平衡，在非可切换第三枝节线1053同时加载两个pin二极管1054，从而控制两个支路的幅度差，在工作状态下第三枝节线1053恒处于导通状态。
经过仿真验证，本发明提出的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的四个金属贴片实现直流隔离与交流联通，变容二级管两端直流电位不同。基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线可以在2-2.7GHz频段内实现窄带连续调节，可以在左旋圆极化与右旋圆极化两种工作状态下进行切换，其轴比不大于3dB，谐振频率下反射系数不高于-10dB。与此同时，具有三枝节的宽带正交馈电网络105在相对带宽63％的范围内，可以实现两个输出端口相位差在90°±5°内，幅度差不大于0.5dB。
在又一实施例中，宽带正交馈电网络105还可以包括多个短路终端接地点1055和多个直流偏置点1056。其中，短路终端接地点1055与接地层103设置的短路终端接地点通孔1032相对应。宽带正交馈电网络105中的移相支路可以通过短路终端接地点通孔1032实现接地连接，进而为宽带正交馈电网络105引入短路终端，用以拓展宽带正交馈电网络105的工作带宽。宽带正交馈电网络105中的部分直流偏置点1056与第一基面101上的直流偏置点1015相对应，并通过对流偏置点1056施加偏置电压，来实现对第一基面101上的变容二极管1013施加直流偏置。另一部分直流偏置点1056用于加载直流电压，以保证基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的正常工作。
为了进一步说明本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，将结合下述实施例进行说明。
继续以前文所述的金属贴片为四个的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线为例进行说明。在本实施例中，基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线包括四个独立的矩形辐射体(又称金属贴片)、四个直流偏置点、八个集总电容以及四个变容二极管。
在本实施例中，基于两个直流偏置点通过金属过孔(又称通孔)连接接地层进行接地。将另外的两个直流偏置点与宽带正交馈电网络上相应的直流偏置点进行金属连通，并在该直流偏置点处接入0-20V电压。
进一步的，宽带正交馈电网络的二级宽带威尔金森功分器中心工作频率为2.3GHz，隔离电阻的阻值分别为85Ω和250Ω。宽带正交馈电网络的第一支路(包括第一枝节线)的传输线特性阻抗为50Ω，长度为2λg(λg为中心工作频率对应的波长)，第一支路的长度为3λg，短路与开路终端特性阻抗为63Ω，中间连接一对短路与开路终端的微带线特性阻抗为81Ω；第三支路(包括第三枝节线)的长度为2.5λg，短路与开路终端特性阻抗为126Ω，中间连接一对短路与开路终端的微带线特性阻抗为62Ω。
进一步的，在宽带正交馈电网络的两个直流偏置点(为了便于说明，分别称为直流偏置点6和直流偏置点8)接入2V电压，在另一直流偏置点(称为直流偏置点5)接入0V电压，在又一直流偏置点(称为直流偏置点7)处接入4V电压，宽带正交馈电网络的第一支路与第三支路导通，天线工作在左旋圆极化状态。在又一例中，直流偏置点5接入2V电压，直流偏置点7与直流偏置点8处接入4V电压，直流偏置点6处接入0V电压，宽带正交馈电网络的第二支路(包括第二枝节线)与第三支路导通，天线工作在右旋圆极化状态。其中，图5与图8是关于本实施例的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的实验结果图。
图5是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的反射系数结果图。
如图5所示，通过改变基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的偏置电压，变容二极管电容发生变化。在变容二极管电容分别为0.3pF、0.6pF、0.9pF、1.2pF和1.5pF时，左旋圆极化状态下中心谐振频率分别为2.58GHz、2.49GHz、2.35GHz、2.21GHz和2.05GHz。右旋状态下中心谐振频率分别为2.08GHz、2.20GHz、2.35GHz、2.45GHz和2.6GHz。根据图示可知，在两种极化状态下，中心谐振频率在2-2.7GHz范围内，基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线反射系数均不高于-10dB。
图6是本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的轴比结果图。
根据图6可知，图示的五个典型频段范围内，在左旋圆极化与右旋圆极化两种工作状态下天线轴比均小于3dB。
如图7a至图7f所示，其中，图7a至图7c分别为左旋圆极化在2.58GHz、2.35GHz和2.05GHz三个典型频点方向图，图7d至图7f为右旋圆极化2.6GHz、2.35GHz和2.08GHz三个典型工作频点方向图。根据图示可知，圆极化方向图的最大辐射方向图最大增益方向在2-2.7GHz范围内相同，但可以产生两种不同的旋向。由此可知，本实施例提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线可以在2-2.7GHz的连续频带内实现左旋圆极化与右旋圆极化的切换。
图8是本发明提供的宽带正交馈电网络输出相位差与幅度差结果图。
根据图8可知，在1.6GHz-3.1GHz频段范围内，左旋圆极化工作模式下，输出端口1与输出端口2幅度差绝对值均小于0.25dB，相位差在85.1°-94.3°范围内；右旋圆极化工作模式下，输出端口1与输出端口2幅度差均小于0.5dB，相位差在85.5°-94.9°范围内。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种加载了偶数个变容二极管的平面贴片天线施加直流偏置电压的方法。即本发明还提供一种关于前文所述的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的偏置电压施加方法。
本发明将结合下述实施例对关于基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线的偏置电压施加方法的过程进行说明。
在本发明一示例性实施例中，可以给2n个变容二极管提供直流偏置电压，并将一整个金属面分割为2n个辐射体(又称金属贴片)，以确保分割后的辐射体之间相互独立。其中，n为大于或等于2的正整数，分割后的辐射体按顺时针进行连续编号。为了保证2n个辐射体之间辐射电流的完整性，不影响原天线整体的辐射性能，在2n个独立辐射体之间的缝隙外侧加载集总电容进行交流联通，此时，所有辐射体实现了直流隔离与交流连通。进一步的，在2n个直流隔离的辐射体顶点加载等数量直流偏置点，并将编号为2k-1的辐射体接地，编号2k的辐射体接等电位直流偏置电压，其中，k＝1,2,…,n。
根据上述描述可知，本发明提供的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，通过在圆极化天线各独立的金属贴片之间桥接变容二级管以及集总电容，可以实现各金属贴片的直流隔离与交流连通，进而确保圆极化天线不仅能够产生圆极化辐射模式，谐振频率也可以连续调节。
进一步可以理解的是，本发明实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线由上至下依次包括：
第一介质基板，所述第一介质基板的上表面设置有第一基面，所述第一介质基板的下表面设置有接地层，其中，所述第一基面为由2n个金属贴片以间断形式围绕形成的环形，n为大于或等于2的正整数，相邻所述金属贴片沿所述环形的中心向外依次桥接有变容二极管和集总电容，所述金属贴片在沿所述中心向外的顶点处设置有直流偏置点，以及
第二介质基板，所述第二介质基板的下表面设置有宽带正交馈电网络。
2.根据权利要求1所述的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述宽带正交馈电网络包括二级宽带威尔森功分器、90°移相器和180°移相器，其中，所述90°移相器和180°移相器共用一个枝节线。
3.根据权利要求2所述的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述宽带正交馈电网络包括三个枝节线，其中，所述90°移相器包括第一枝节线和第三枝节线，所述180°移相器包括所述第一枝节线和第二枝节线。
4.根据权利要求3所述的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述第一枝节线、所述第二枝节线与所述第三枝节线分别设置有pin二极管。
5.根据权利要求1所述的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述第一基面为由四个矩形金属贴片以间断形式围绕形成的环形。
6.根据权利要求1所述的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述第一介质基板与所述第二介质基板采用相同材料制作而成。
7.根据权利要求1所述的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述接地层为金属层。
8.根据权利要求7所述的基于宽带正交移相结构的复合可重构圆极化天线，其特征在于，所述接地层设置有通孔。
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