CN114421167B - 一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，包括介质基板；位于介质基板上表面的金属地，金属地的中间设有环形辐射缝隙和十字辐射缝隙，环形辐射缝隙将金属地分隔成内侧金属和外侧金属，十字辐射缝隙由两个主矩形缝隙十字交叉而成，十字辐射缝隙的同侧上方分别设有与对应主矩形缝隙正交的次矩形缝隙；位于介质基板下表面的微带结构；连接于环形辐射缝隙内外侧金属间的第一开关二极管和第二开关二极管；位于每个次矩形缝隙两端的一对金属贴片，每个金属贴片通过电容与金属地连接；以及分别连接于两个次矩形缝隙两端的每对金属贴片之间的第三开关二极管和第四开关二极管。本发明工作时的圆极化带宽宽、辐射性能好。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线。
背景技术
天线能够实现导行电磁波与辐射电磁波之间的能量转换，是无线通信系统中的关键器件。相比于线极化天线，圆极化天线具有抑制多径干扰、抵抗雨雾衰减、降低极化失配损耗和放宽收发天线位置限制等优势。左右旋圆极化可重构天线有利于消除多径效应产生的能量衰落问题，实现频率复用进而提升系统通信容量。因此，设计性能优秀、简单实用的左右旋圆极化可重构天线对于提升无线通信系统性能、降低无线通信成本具有重要的意义。
缝隙天线具有误差容忍度高、剖面低、体积小、重量轻、易集成的良好性质，被广泛应用于各类无线通信设备。现有的双频圆极化天线的主要问题在于，两个工作频带相距较近，无法应用于大频率比场合。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种频率比大的双频左右旋圆极化可重构缝隙天线。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，包括：
介质基板；
位于介质基板上表面的金属地，金属地的中间设有环形辐射缝隙和十字辐射缝隙，且十字辐射缝隙位于环形辐射缝隙内，环形辐射缝隙将金属地分隔成内侧金属和外侧金属，十字辐射缝隙由两个主矩形缝隙十字交叉而成，十字辐射缝隙的同侧上方分别设有与对应主矩形缝隙正交的次矩形缝隙；
位于介质基板下表面的用于传输电磁能量对环形辐射缝隙和十字辐射缝隙进行耦合馈电的微带结构；
连接于环形辐射缝隙内侧金属和外侧金属间的第一开关二极管和第二开关二极管，且第一开关二极管的正极位于外侧金属，负极位于内侧金属；第二开关二极管的正极位于内侧金属，负极位于外侧金属；
位于每个次矩形缝隙两端的一对金属贴片，每个金属贴片通过电容与金属地连接；
以及分别连接于两个次矩形缝隙两端的每对金属贴片之间的第三开关二极管和第四开关二极管。
优选的，第一开关二极管和第二开关二极管的位置相对于微带结构的中心线对称。
优选的，环形辐射缝隙的长度为工作频率的一个波长，十字辐射缝隙的长度为工作频率的半个波长。
优选的，环形辐射缝隙的中心与十字辐射缝隙的交叉点重合。
优选的，十字辐射缝隙的两个主矩形缝隙的长度相同。
优选的，次矩形缝隙的宽度小于主矩形缝隙的宽度。
优选的，第一开关二极管的正极和第二开关二极管的正极均与一个直流电源的正极连接，第一开关二极管的负极和第二开关二极管的负极均与该直流电源的负极连接。
优选的，第三开关二极管的正极和负极通过与其连接的两个金属贴片分别连接于一个直流电源的正极和负极，第四开关二极管的正极和负极通过与其连接的两个金属贴片分别连接于另一个直流电源的正极和负极。
优选的，微带结构包括依次连接的第一微带馈线、微带调谐枝节和第二微带馈线，电磁信号能够通过第一微带馈线端口处输入，并通过微带调谐枝节和第二微带馈线能量耦合至环形辐射缝隙和十字辐射缝隙。
优选的，微带调谐枝节连接于第二微带馈线的一端边沿在金属地上的投影与环形辐射缝隙外圆相切。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明所述的双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，利用环形辐射缝隙和十字辐射缝隙实现双频特性，解决了现有的双频圆极化天线的两个频带相距较近，无法应用于大频率比场合的问题。此外，本发明只需要一层介质基板，设计简单、体积小、剖面低、重量轻、方便与平面电路集成，可应用于多种无线通信设备。同时，本发明可以在低频段利用开关二极管自身封装电感使环形辐射缝隙的工作主模分裂成两个正交等幅的简并模实现圆极化波的辐射，不需要复杂的馈电网络，结构简单，成本低廉，另外，本发明工作时的圆极化带宽宽、辐射性能好。
进一步，环形辐射缝隙的长度为工作频率的一个波长，十字辐射缝隙的长度为工作频率的半个波长，二者独立性强，因此能够方便于在预设频率比范围内获得频率相对较大的双频圆极化天线。
附图说明
图1是本发明天线的顶层结构示意图。
图2是本发明天线的底层结构示意图。
图3是本发明天线在极化模式一下的等效结构图。
图4是本发明天线在极化模式二下的等效结构图。
图5是本发明天线在两种不同极化模式下回波损耗的仿真结果。
图6是本发明天线在两种不同极化模式下2.45GHz处的法向轴比仿真结果。
图7是本发明天线在两种不同极化模式下5.8GHz处的法向轴比仿真结果。
图8是本发明天线在极化模式一下2.45GHz处的辐射方向图。
图9是本发明天线在极化模式一下5.8GHz处的辐射方向图。
图10是本发明天线在极化模式二下2.45GHz处的辐射方向图。
图11是本发明天线在极化模式二下5.8GHz处的辐射方向图。
附图标记说明：
1、介质基板，2、金属地，4、环形辐射缝隙，5、第一开关二极管，6、第二开关二极管，7、十字辐射缝隙，8、第三开关二极管，9、第四开关二极管，10、第一直流电源，11、第二直流电源，12、第三直流电源，13、封装电感，31、第一微带馈线，32、微带调谐枝节，33、第二微带馈线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明所述的双频左右旋圆极化可重构缝隙天线制作于双面敷铜的介质基板，可使用电路板腐蚀、激光刻制和机械刻制等成熟技术方便地加工制作。对于低频段，本发明的核心思想在于利用开关二极管开关特性和自身封装电感，一方面导通状态下开关二极管自身封装电感将分裂环形辐射缝隙主模为两个幅度相等、相位正交的简并模式，进而激励起圆极化辐射电磁波，另一方面切换两个开关二极管的导通和截止状态，达到重构圆极化旋向的目的；对于高频段，本发明的核心思想在于利用开关二极管的通断改变十字辐射缝隙其中一条矩形缝隙的有效长度，从而使正交的两条矩形辐射缝隙产生相位差，进而激励起圆极化辐射电磁波，通过改变电源条件，切换两个开关二极管的导通和截止状态，达到重构圆极化旋向的目的。
请参阅图1和图2所示，本发明提供的一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，包括介质基板1、介质基板1上表面印制的金属地2、刻蚀于金属地2上的环形辐射缝隙4、连接于环形辐射缝隙4内外侧金属间的第一开关二极管5和第二开关二极管6、刻蚀于金属地2上的十字辐射缝隙7和介质基板1下表面印制的用于传输电磁能量对环形辐射缝隙4和十字辐射缝隙7进行耦合馈电的微带结构。
十字辐射缝隙7由两个主矩形缝隙十字交叉而成，十字辐射缝隙7的同侧上方分别设有与对应主矩形缝隙正交的次矩形缝隙，且次矩形缝隙的宽度小于主矩形缝隙的宽度，位于每个次矩形缝隙的两端设置有一对金属贴片，两个次矩形缝隙的每对金属贴片之间分别连接有第三开关二极管8和第四开关二极管9。
环形辐射缝隙4将金属地2分隔成内侧金属和外侧金属；十字辐射缝隙7位于环形辐射缝隙4内，且十字辐射缝隙7的中心与环形辐射缝隙4的交叉点重合。
其中，第一开关二极管5的正极位于外侧金属，负极位于内侧金属；第二开关二极管6的正极位于内侧金属，负极位于外侧金属，且第一开关二极管5与第二开关二极管6的加载位置与环形辐射缝隙4圆心的连线相对于介质基板1纵向中心线夹角均为45°。第三开关二极管8和第四开关二极管9加载位置距主矩形缝隙顶端4.25mm，该距离能够最佳影响十字辐射缝隙7的圆极化辐射性能。
环形辐射缝隙4的长度为工作频率的一个波长，十字辐射缝隙7的长度为工作频率的半个波长，二者独立性强，因此能够方便于在预设频率比范围内获得频率相对较大的双频圆极化天线。其中，环形辐射缝隙4的长度为其内圆周长和外圆周长的平均值，十字辐射缝隙7的长度为其任意一个主矩形缝隙的长度。
微带结构由依次相互连接的第一微带馈线31、微带调谐枝节32和第二微带馈线33组成，微带调谐枝节32连接于第二微带馈线33的一端边沿在金属地2上的投影与环形辐射缝隙4外圆相切，电磁信号能够通过第一微带馈线31端口处输入，并通过微带调谐枝节32和第二微带馈线33能量耦合至环形辐射缝隙4和十字辐射缝隙7。
第一开关二极管5的正极和第二开关二极管6的正极均与第一直流电源10的正极连接，第一开关二极管5的负极和第二开关二极管6的负极均与第一直流电源10的负极连接。
第三开关二极管8的正极和负极通过与其连接的两个金属贴片分别连接于第二直流电源11的正极和负极，第四开关二极管9的正极和负极通过与其连接的两个金属贴片分别连接于第三直流电源12的正极和负极。
本发明提供的双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，其工作过程包括：
电磁信号通过第一微带馈线31断口处输入，并通过微带调谐枝节32和第二微带馈线33能量耦合至环形辐射缝隙4和十字辐射缝隙7，对于环形辐射缝隙4，其辐射模在导通状态开关二极管的封装电感13作用下，分裂成幅度相等、相位正交的两个简并模，进而实现圆极化辐射特性。
当第一直流电源10接正向电压时，第二开关二极管6导通，第一开关二极管5截止；当第一直流电源10接反向电压时，第一开关二极管5导通，第二开关二极管6截止，从而达到重构圆极化电磁波旋向的目的；对于十字辐射缝隙7，通过第三开关二极管8或第四开关二极管9的导通，改变其中一条矩形辐射缝隙的有效长度，使正交的两条矩形缝隙产生相位差，进而实现圆极化辐射特性。
当第二直流电源11开关闭合，第三直流电源12开关断开时，第三开关二极管8导通，第四开关二极管9截止；当第二直流电源11开关断开，第三直流电源12开关闭合时，第三开关二极管8截止，第四开关二极管9导通，从而达到重构圆极化电磁波旋向的目的。
实施例
本发明的双频左右旋圆极化可重构缝隙天线采用印制电路板工艺制作与尺寸为：
所述的介质基板1为聚四氟乙烯介质基板，尺寸为45mm×52.5mm，介电常数为4.4，损耗角正切为0.0033；四个开关二极管均选用英飞凌BAR50-03W芯片；第一直流电源10电压为0.95V；第二直流电源11和直流电源12电压为1V；环形辐射缝隙4外圆半径为17.5mm，内圆半径为16.2mm；微带调谐枝节32长度为10mm，宽度为1.7mm，第一微带馈线31和第二微带馈线33宽度均为3mm，第二微带馈线33顶部高于介质基板1中心2.5mm；十字辐射缝隙7长边长17mm，短边长2.4mm。
图3是本发明天线在第一开关二极管、第三开关二极管导通，第二开关二极管、第四开关二极管截止状态下的等效结构示意图，此时天线在2.45GHz辐射左旋圆极化波，在5.8GHz辐射右旋圆极化波；图4是本发明天线在第二开关二极管、第四开关二极管导通，第一开关二极管、第三开关二极管截止状态下的等效结构示意图，此时天线在2.45GHz辐射右旋圆极化波，在5.8GHz处辐射左旋圆极化波。
图5、图6和图7分别是实施例双频左右旋圆极化可重构缝隙天线在两种极化模式下的回拨损耗和低频、高频法向轴比的仿真结果。由于结构对称性，天线在两种极化模式下，回波损耗与法向轴比特性基本一致。具体而言，该天线10dB回波损耗在低频和高频的频率范围分别为2GHz到2.8GHz和5.25GHz到5.92GHz，低频与高频相距远，频率比大于2.3，实现了大频率比的特性；3dB法向轴比在低频和高频的频率范围分别为2.42GHz到2.53GHz和5.59GHz到5.9GHz，3dB轴比带宽较宽，圆极化性能好。
图8和图9是该天线在极化模式一下2.45GHz和5.8GHz处辐射方向图的仿真结果，图10和图11是该天线在极化模式二下2.45GHz和5.8GHz处辐射方向图的仿真结果，其中，LHCP和PHCP分别表示左旋圆极化和右旋圆极化。在两种极化模式下，该天线都具有圆极化纯度高、波束宽度宽、交叉极化水平低的优良辐射特性。
上述实施例是本发明的优选实施方式，但不能认定本发明的实施方式仅限于此，本领域普通技术人员在不脱离本发明精神实质与技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，都应视为本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，其特征在于，包括：
介质基板(1)；
位于介质基板(1)上表面的金属地(2)，金属地(2)的中间设有环形辐射缝隙(4)和十字辐射缝隙(7)，且十字辐射缝隙(7)位于环形辐射缝隙(4)内，环形辐射缝隙(4)将金属地(2)分隔成内侧金属和外侧金属，十字辐射缝隙(7)由两个主矩形缝隙十字交叉而成，十字辐射缝隙(7)的同侧上方分别设有与对应主矩形缝隙正交的次矩形缝隙；
位于介质基板(1)下表面的用于传输电磁能量对环形辐射缝隙(4)和十字辐射缝隙(7)进行耦合馈电的微带结构；
连接于环形辐射缝隙(4)内侧金属和外侧金属间的第一开关二极管(5)和第二开关二极管(6)，且第一开关二极管(5)的正极位于外侧金属，负极位于内侧金属；第二开关二极管(6)的正极位于内侧金属，负极位于外侧金属；
位于每个次矩形缝隙两端的一对金属贴片，每个金属贴片通过电容与金属地(2)连接；
以及分别连接于两个次矩形缝隙两端的每对金属贴片之间的第三开关二极管(8)和第四开关二极管(9)。
2.根据权利要求1所述的一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，其特征在于，第一开关二极管(5)和第二开关二极管(6)的位置相对于微带结构的中心线对称。
3.根据权利要求1所述的一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，其特征在于，环形辐射缝隙(4)的长度为工作频率的一个波长，十字辐射缝隙(7)的长度为工作频率的半个波长。
4.根据权利要求1所述的一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，其特征在于，环形辐射缝隙(4)的中心与十字辐射缝隙(7)的交叉点重合。
5.根据权利要求1所述的一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，其特征在于，十字辐射缝隙(7)的两个主矩形缝隙的长度相同。
6.根据权利要求1所述的一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，其特征在于，次矩形缝隙的宽度小于主矩形缝隙的宽度。
7.根据权利要求1所述的一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，其特征在于，第一开关二极管(5)的正极和第二开关二极管(6)的正极均与一个直流电源的正极连接，第一开关二极管(5)的负极和第二开关二极管(6)的负极均与该直流电源的负极连接。
8.根据权利要求1所述的一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，其特征在于，第三开关二极管(8)的正极和负极通过与其连接的两个金属贴片分别连接于一个直流电源的正极和负极，第四开关二极管(9)的正极和负极通过与其连接的两个金属贴片分别连接于另一个直流电源的正极和负极。
9.根据权利要求1所述的一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，其特征在于，微带结构包括依次连接的第一微带馈线(31)、微带调谐枝节(32)和第二微带馈线(33)，电磁信号能够通过第一微带馈线(31)端口处输入，并通过微带调谐枝节(32)和第二微带馈线(33)能量耦合至环形辐射缝隙(4)和十字辐射缝隙(7)。
10.根据权利要求9所述的一种双频左右旋圆极化可重构缝隙天线，其特征在于，微带调谐枝节(32)连接于第二微带馈线(33)的一端边沿在金属地(2)上的投影与环形辐射缝隙(4)外圆相切。
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- 2022-01-17 CN CN202210048681.3A patent/CN114421167B/zh active Active
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|---|---|
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