CN114566793B - 一种宽带方向图可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽带方向图可重构天线，包括介质基板，所述介质基板的正反表面上分别设有第一金属层和第二金属层，所述第一金属层包括第一微带线，所述第一微带线通过第一射频开关连接有第二微带线，第一微带线通过第二射频开关连接有微带‑槽线转换巴伦，所述第二金属层包括天线辐射臂，所述天线辐射臂的一端开设有指数渐变槽，所述指数渐变槽的窄口端通过槽缝连接有圆形谐振腔，天线辐射臂通过第三射频开关连接有金属地平面，所述第二微带线通过过孔与天线辐射臂连接；本发明提供的宽带方向图可重构天线切换速度快，集成度高，频带宽且损耗小，能满足微波通信系统工程使用。

Description

一种宽带方向图可重构天线
技术领域
本发明属于可重构天线技术领域，具体是涉及到一种宽带方向图可重构天线。
背景技术
在现代微波通信领域，为了满足信息系统对多功能、超宽带、大容量的传输需求，就要逐渐增多信息传输子系统的数量，天线作为整个系统信号发射和接收的重要组件，其数量也会随之相应增加。
在这一背景下，D.H.Schaubert等人在1983年提出了“可重构天线”的概念，可以把多个天线或多种功能集中于一个天线。可重构天线的研究目的是根据需求，改变天线的某一个或若干个电参数，达到对天线的工作状态进行随时调整的目的。这样既减少了载体平台上天线的数量，减轻了重量，也弥补了系统元件之间电磁兼容性较差的不足，有效缓解了天线数量对无线通信系统发展造成的制约。
方向图可重构天线是可重构天线研究中的重点，它的特点是在天线物理口径不变的情况下，通过人为改变天线口径场分布，达到天线方向图波束指向或者方向图形状改变的一类天线。方向图可重构天线同频率、极化等其他可重构天线一样，对现代大容量、多功能、超宽带综合信息系统的性能改善有着重大的作用。而变化的辐射方向图又使得方向图可重构天线能避免噪声或电子干扰源，从而提高系统的安全性。此外，方向图可重构天线对辐射波束宽度的压缩能使得能量更为集中地发射到接收源。方向图可重构天线可以满足智能武器寻目、汽车和飞机雷达、无线和卫星通信网络、空间遥感以及大角度扫描相控阵等要求，有着广泛的应用前景。方向图可重构天线可以通过射频开关(RF MEMS、射频开关和光电二极管等)或微机械结构(微小步进电机等)来实现方向图的可重构性。现有方向图可重构技术难以实现宽频带、宽波束，以及存在电路复杂的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种切换速度快，集成度高，频带宽且损耗小，能满足微波通信系统工程使用的宽带方向图可重构天线。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种宽带方向图可重构天线，包括介质基板，所述介质基板的正反表面上分别设有第一金属层和第二金属层，所述第一金属层包括第一微带线，所述第一微带线通过第一射频开关连接有第二微带线，第一微带线通过第二射频开关连接有微带-槽线转换巴伦，所述第二金属层包括天线辐射臂，所述天线辐射臂的一端开设有指数渐变槽，所述指数渐变槽的窄口端通过槽缝连接有圆形谐振腔，天线辐射臂通过第三射频开关连接有金属地平面，所述第二微带线通过过孔与天线辐射臂连接。
优选的，所述第一微带线通过第三微带线与第二射频开关连接，所述第三微带线与第一微带线连接之间设有第四射频开关。
优选的，所述第三射频开关至少为三个。
优选的，所述微带-槽线转换巴伦包括渐变微带线和扇形馈线。
优选的，所述介质基板的介电常数为2.2，厚度为0.5mm，长度为60mm，宽度为40mm，所述天线辐射臂的长度为48.5mm，所述指数渐变槽宽口端的宽度为22mm，所述槽缝的宽度为0.6mm，所述圆形谐振腔的半径为3mm，所述渐变微带线的长度为11mm，所述扇形馈线的半径为3.5mm，所述天线辐射臂与金属地平面的间距为0.5mm，所述第一微带线的宽度为1.5mm。
优选的，所述天线辐射臂靠近金属地平面的一端包括平行部分和两个对称设置的曲线部分，所述平行部分的宽度为6mm。
优选的，所述金属结构层为金箔、银箔或铜箔中的任一种。
优选的，所述第一射频开关、第二射频开关、第三射频开关和第四射频开关均为pin二极管。。
本发明的有益效果是，通过切换天线形式来实现方向图的改变，当第一金属层上的第一射频开关打开，第二射频开关及第二金属层上的第三射频开关关闭，天线辐射臂与金属地平面分开，输入信号从第二微带线和过孔进入背面的天线辐射臂对空间辐射，此时天线相当于一个单极子天线；当第一射频开关关闭，第二射频开关及第二金属层上的第三射频开关打开，天线辐射臂与金属地平面连接，整个第二金属层接地，输入信号微带-槽线转换巴伦进入背面天线辐射臂的槽缝，再通过指数渐变槽对空间辐射，此时天线相当于一个Vivaldi天线；不仅可以降低无线通信系统的体积、成本和设计复杂度，有利于微波天线系统小型化、集成化的设计，而且可以大大地提高通信系统的整体性能，在国民经济及国防领域均具有广阔的应用前景，因此有重要的研究意义。
附图说明
图1是本发明其中一实施例的结构示意图；
图2是为图1所示的第一金属层的结构示意图；
图3是为图1所示的第二金属层的结构示意图；
图4是为图1所示的实施例的参数示意图；
图5是在高频电磁全波仿真软件HFSS中，单极子天线回波损耗；
图6是在高频电磁全波仿真软件HFSS中，Vivaldi天线回波损耗；
图7是在高频电磁全波仿真软件HFSS中，单极子天线在3GHz处y-z平面的方向图；
图8是在高频电磁全波仿真软件HFSS中，Vivaldi天线在3GHz处y-z平面的方向图；
图9是在高频电磁全波仿真软件HFSS中，单极子天线在10GHz处y-z平面的方向图；
图10是在高频电磁全波仿真软件HFSS中，Vivaldi天线在10GHz处y-z平面的方向图。
在图中，1、介质基板；2、第一金属层；21、第一微带线；22、第二微带线；23、微带-槽线转换巴伦；231、渐变微带线；232、扇形馈线；24、过孔；25、第三微带线；3、第二金属层；31、天线辐射臂；311、平行部分；312、曲线部分；32、指数渐变槽；33、圆形谐振腔；34、槽缝；35、金属地平面；41、第一射频开关；42、第二射频开关；43、第三射频开关；44、第四射频开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
请一并参阅图1-4，本实施例提供的宽带方向图可重构天线，包括介质基板1，所述介质基板1的正反表面上分别设有第一金属层2和第二金属层3，所述第一金属层2包括第一微带线21，所述第一微带线21通过第一射频开关41连接有第二微带线22，第一微带线21通过第二射频开关42连接有微带-槽线转换巴伦23，所述第二金属层3包括天线辐射臂31，所述天线辐射臂31的一端开设有指数渐变槽32，所述指数渐变槽32的窄口端通过槽缝34连接有圆形谐振腔33，天线辐射臂31通过第三射频开关43连接有金属地平面35，所述第二微带线22通过过孔24与天线辐射臂31连接。
非导电材料制成的介质基板1和在介质基板1的上下表面的两层金属结构层。这两层金属均通过蚀刻工艺在介质基板表面上，介质基板采用的是Rogers公司的RT5880，相对介电常数为2.2；当第一金属层2上的第一射频开关41打开，第二射频开关42及第二金属层3上的第三射频开关43关闭，天线辐射臂31与金属地平面35分开，输入信号从第二微带线22和过孔24进入背面的天线辐射臂31对空间辐射，此时天线相当于一个单极子天线；当第一射频开关41关闭，第二射频开关42及第二金属层3上的第三射频开关43打开，天线辐射臂31与金属地平面35连接，整个第二金属层3接地，输入信号微带-槽线转换巴伦23进入背面天线辐射臂31的槽缝35，再通过指数渐变槽32对空间辐射，此时天线相当于一个Vivaldi天线；通过切换射频开关来实现方向图的改变，不仅可以降低无线通信系统的体积、成本和设计复杂度，有利于微波天线系统小型化、集成化的设计，而且可以大大地提高通信系统的整体性能，在国民经济及国防领域均具有广阔的应用前景，因此有重要的研究意义。
更具体的，所述第一微带线21通过第三微带线25与第二射频开关42连接，所述第三微带线25与第一微带线21连接之间设有第四射频开关44；第一射频开关41和第四射频开关44是用来选择天线的工作模式，第二射频开关42是当天线工作在单极子模式下，为了防止天线辐射臂31和金属地平面35之间的能量耦合到微带-槽线转换巴伦23上，增加了第二射频开关42，减少两种模式之间的串扰。
更具体的，在本实施例中，所述第三射频开关43为三个；单个pin二极管导通和截至对辐射面信号的连通和断开的能力有限，当天线工作在单极子模式下，为了最大程度上分隔天线辐射臂31与金属地平面35之间辐射电流，需要设置多个pin二极管；经过仿真，至少需要三个pin二极管才能达到隔离信号的要求，同样当天线工作在Vivaldi模式下，为了给微带-槽线转换巴伦23信号传输一个完整的地平面，也是至少需要三个pin二极管才能将天线辐射臂31与金属地平面35连接起来。
更具体的，所述微带-槽线转换巴伦23包括渐变微带线231和扇形馈线232。
更具体的，所述介质基板1的介电常数为2.2，厚度为0.5mm，长度为60mm，宽度为40mm，所述天线辐射臂31的长度为48.5mm，所述指数渐变槽32宽口端的宽度为22mm，所述槽缝34的宽度为0.6mm，所述圆形谐振腔33的半径为3mm，所述渐变微带线231的长度为11mm，所述扇形馈线232的半径为3.5mm，所述第一微带线21的宽度为1.5mm，所述天线辐射臂31与金属地平面35的间距为0.5-1mm，在本实施例中，天线辐射臂31与金属地平面35的间距为0.5mm。
更具体的，所述天线辐射臂31靠近金属地平面35的一端包括平行部分和两个对称设置的曲线部分，曲线部分为spline曲线，所述平行部分的宽度为6mm；当天线辐射臂31作为单极子天线使用时，作为与微带线之间的阻抗匹配，这个曲线是spline曲线，通过这个曲线可以实现微带线50欧姆阻抗到天线高阻抗之间的一个渐变阻抗变换，拓展天线的带宽。
更具体的，所述金属结构层为金箔、银箔或铜箔中的任一种。
更具体的，所述第一射频开关41、第二射频开关42、第三射频开关43和第四射频开关44均为pin二极管。
本发明通过控制PIN二极管的通断来进行Vivaldi天线和单极子天线相互切换，通过改变天线形式来改变天线的辐射特性，实现方向图可重构功能；当第一射频开关41打开，第二射频开关42及第二金属层3上的三个第三射频开关43关闭，介质基板1的背面的天线辐射臂31与金属地平面35断开，此时天线形式相当于一个单极子天线，天线辐射臂31为单极子天线的辐射面，输入信号经过第二微带线22和过孔24进入到背面的天线辐射臂31，向空间辐射；当第一射频开关41关闭，第二射频开关42及三个第三射频开关43打开，介质基板1的背面的天线辐射臂31与金属地平面35连接，此时天线形式相当于一个Vivaldi天线，输入信号经过通过微带-槽线转换巴伦23进入到背面的槽缝35中，再通过天线辐射臂31间的指数渐变槽32向空间辐射；由于没有利用移相器等射频后端器件构成较复杂的馈电网络，因此克服了传统相控阵天线的诸多缺点，其结构简单且造价成本低，且切换速度快，集成度高，频带宽且损耗小，满足微波通信系统工程使用要求。
图5为第一射频开关41打开，第二射频开关42、第四射频开关44及第二金属层3上的三个第三射频开关43关闭时，单极子天线回波损耗S11，在2-12GHz频段内，天线输入端口反射系数S11小于-12dB，达到了设计指标。
图6为第一射频开关41关闭，第二射频开关42、第四射频开关44及第二金属层3上的三个第三射频开关43打开时，Vivaldi天线回波损耗S11，在2.7-16GHz频段内，天线输入端口反射系数S11小于-10dB，达到了设计指标。
图7和图8分别为单极子天线和Vivaldi天线在3GHz处的y-z平面天线方向图，可以看出在控制PIN二极管切换天线形式时，天线辐射方向有明显改变，从水平两端方向辐射变化到向垂直方向辐射，达到了方向图可重构的目的。
图9和图10分别为单极子天线和Vivaldi天线在10GHz处的y-z平面天线方向图，同样可以看出在控制PIN二极管切换天线形式时，天线辐射方向有明显改变，拓宽了天线的方向图，达到了方向图可重构的设计目的。
以上实施例仅用于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 (7)

1.一种宽带方向图可重构天线，其特征在于：包括介质基板，所述介质基板的正反表面上分别设有第一金属层和第二金属层，所述第一金属层包括第一微带线，所述第一微带线通过第一射频开关连接有第二微带线，第一微带线通过第二射频开关连接有微带-槽线转换巴伦，所述第二金属层包括天线辐射臂，所述天线辐射臂的一端开设有指数渐变槽，所述指数渐变槽的窄口端通过槽缝连接有圆形谐振腔，天线辐射臂通过第三射频开关连接有金属地平面，所述第二微带线通过过孔与天线辐射臂连接。
2.如权利要求1所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：所述第一微带线通过第三微带线与第二射频开关连接，所述第三微带线与第一微带线连接之间设有第四射频开关。
3.如权利要求1所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：所述第三射频开关至少为三个。
4.如权利要求1所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：所述微带-槽线转换巴伦包括渐变微带线和扇形馈线。
5.如权利要求4所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：所述介质基板的介电常数为2.2，厚度为0.5mm，长度为60mm，宽度为40mm，所述天线辐射臂的长度为48.5mm，所述指数渐变槽宽口端的宽度为22mm，所述槽缝的宽度为0.6mm，所述圆形谐振腔的半径为3mm，所述渐变微带线的长度为11mm，所述扇形馈线的半径为3.5mm，所述天线辐射臂与金属地平面的间距为0.5mm，所述第一微带线的宽度为1.5mm。
6.如权利要求1所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：所述金属结构层为金箔、银箔或铜箔中的任一种。
7.如权利要求2所述的宽带方向图可重构天线，其特征在于：所述第一射频开关、第二射频开关、第三射频开关和第四射频开关均为pin二极管。
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