CN114759352B - 一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，包括中心开槽的金属地板、巴伦结构、馈电金属条带、开关控制电路和两个周期性开槽的偶极子辐射单元；中心开槽的金属地板作为反射器，确保天线工作在边射模式时向上辐射；巴伦结构中心对称，实现平衡非平衡转换；馈电金属条带，对两个偶极子单元进行馈电；开关控制电路，控制两个偶极子之间的相位差，实现边射端射可重构；两个周期性开槽的偶极子辐射单元，能够实现较好的天线增益和方向特性。本发明通过开关电路控制两个偶极子辐射单元的工作相位，实现了边射端射可重构的辐射特性，结构简单、易于加工，在未来射频识别、汽车、飞机雷达、隧道通信等系统中具有潜在应用价值。

Description

一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线
技术领域
本发明涉及一种微带天线，尤其是一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线。
背景技术
现代通信系统需要同时满足大容量、超宽带、多功能等需求，这使得同一载体平台上子系统的数目剧增。而天线作为无线通信系统中信号出入必经通道，其需求数量不可避免地增加。天线数目的增加与降低系统成本、减轻重量、实现良好的电磁兼容特性等需求产生很大的矛盾，这制约着通信系统进一步朝大容量、超宽带、多功能等方向发展和应用。
可重构天线通过利用 PIN 二极管、MEMS 开关、MESFET 开关、可变电容等的状态改变可以实现天线不同性能之间的切换，使天线适应环境变化时对通信的不同需求。其中，辐射方向图是量化天线发射或接收特性的重要参量。方向图可重构天线可以在保持天线的极化方式和工作频率不变的情况下，改变方向图形状或主波束辐射方向。如果可以设计一款边射端射方向图可重构天线，就可以很好地满足射频识别、汽车、飞机雷达、和隧道通信等对方向图的应用要求。
如何设计实现上述性能的天线，成为新的关注点。虽然可以采用不同的方法实现边射端射可重构天线，但是既要保证结构简单、易于加工制作，又要实现稳定的辐射特性，对天线设计提出了苛刻的要求。特别是既要实现天线在同一频率不同方向上稳定的辐射特性，又要保证结构紧凑易加工，成为了天线工程师们亟待解决的难题。
发明内容
发明目的：一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，以解决上述问题。
技术方案：一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，包括中心开槽的金属地板、巴伦结构、馈电金属条带、开关控制电路和两个周期性开槽的偶极子辐射单元；
巴伦结构、馈电金属条带、开关控制电路和两个周期性开槽的偶极子辐射单元，均置于一块介质板上固定，具体位置分布为：巴伦结构成中心对称置于介质板的下层；馈电金属条带位于介质板的上下两侧，连接两个偶极子；开关控制电路分别位于上下两侧的馈电金属条带上，并在介质板的上下表面对称铺设；两个周期性开槽的偶极子辐射单元位于介质板的左右两侧，每个偶极子上下交错分布在介质板上；中心开槽的金属地板位于介质板下方10mm处；
馈电金属条带分别与周期性开槽的偶极子辐射单元连接，从而实现馈电；结合上下两侧设置的所述开关控制电路，对所述偶极子辐射单元馈电相位进行控制，实现天线的边射端射可重构特性；
所述中心开槽的金属地板与介质板对正放置，前后两侧上下对应刻蚀一组圆形空气化通孔，用塑料螺钉固定。
优选的是，本发明的介质板为单层介质基片，长度为160mm，宽度为150mm，厚度为0.5mm。
优选的是，本发明中心开槽的金属地板长为160mm，宽为150mm，厚度为1.0mm，且中心所开圆槽半径为5mm。
优选的是，本发明的巴伦结构由2个等腰直角三角形组成，对称分布在所述馈电金属条带两侧，等腰直角三角形斜边长为60mm。
优选的是，本发明的馈电金属条带可分为同向馈电和反相馈电两部分，线宽为5mm。
优选的是，本发明的开关控制电路位于所述馈电金属条带上，由PIN二极管和保护电路组成。
优选的是，本发明两个周期性开槽的偶极子辐射单元，偶极子单元的两臂上下交错分布在介质板上，尺寸为长69mm，宽10mm；开槽尺寸为长5mm，宽5mm；周期尺寸为10mm。
优选的是，本发明的介质板与中心开槽的金属地板前后两侧上下对应刻蚀一组圆形空气化通孔，空气化通孔半径为1.5mm，空气化通孔的个数为10个。
有益效果：本发明设计实现了一款边射端射可重构的微带贴片天线，结构简单，易加工实现，具有辐射方向可重构、适用不同工作环境的特点，在射频识别、汽车、飞机雷达、和隧道通信等系统中具有潜在应用价值。具体将在下文描述。
附图说明
图1为具有边射端射可重构的平面微带贴片天线的三维整体结构图。
图2为具有边射端射可重构的平面微带贴片天线的俯视图。
图3为具有边射端射可重构的平面微带贴片天线的侧视图。
图4为具有边射端射可重构的平面微带贴片天线反射曲线关系图。
图5为具有边射端射可重构的平面微带贴片天线边射状态时的主极化和交叉极化方向图。
图6为具有边射端射可重构的平面微带贴片天线端射状态时的主极化和交叉极化方向图。
标号说明：1、中心开槽的金属地板，2、周期性开槽的偶极子辐射单元，3、介质板，4、巴伦结构，5、馈电金属条带，6、开关控制电路，7、介质板与中心开槽的金属地板前后两侧上下对应刻蚀的一组圆形空气化通孔。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，包括中心开槽的金属地板1、巴伦结构4、馈电金属条带5、开关控制电路6和两个周期性开槽的偶极子辐射单元2。
本发明具有紧凑型结构，在介质板3上固定上述结构：巴伦结构4置于介质板3的下层，成中心对称；馈电金属条带5位于介质板3的上下两侧，连接两个偶极子；开关控制电路6分别位于上下两侧的馈电金属条带5上，并在介质板3的上下表面对称铺设；两个周期性开槽的偶极子辐射单元2位于介质板3的左右两侧，每个偶极子上下交错分布在介质板3上。中心开槽的金属地板1位于介质板3下方10mm处。
馈电金属条带5与周期性开槽的偶极子辐射单元2连接，从而实现馈电；结合上下两侧设置的开关控制电路6，可以对偶极子辐射单元馈电相位进行控制，实现天线的边射端射可重构特性。
在进一步的实施例中，本发明的介质板为单层介质基片，长度为160mm，宽度为150mm，厚度为0.5mm。
在进一步的实施例中，本发明采用中心开槽的金属地板作为反射器，可以确保天线工作在边射模式时向上辐射。
如图1所示，本发明中心开槽的金属地板长为160mm，宽为150mm，厚度为1.0mm，且中心所开圆槽半径为5mm。
在进一步的实施例中，本发明的巴伦结构由2个等腰直角三角形组成，对称分布在所述馈电金属条带两侧，等腰直角三角形斜边长为60mm。
在进一步的实施例中，本发明的馈电金属条带可分为同向馈电和反相馈电两部分，线宽为5mm。
在进一步的实施例中，本发明的开关控制电路位于所述馈电金属条带上，由PIN二极管和保护电路组成。
在进一步的实施例中，本发明两个周期性开槽的偶极子辐射单元，偶极子单元的两臂上下交错分布在介质板上，尺寸为长69mm，宽10mm；开槽尺寸为长5mm，宽5mm；周期尺寸为10mm。
在进一步的实施例中，本发明的介质板与中心开槽的金属地板前后两侧上下对应刻蚀一组圆形空气化通孔7，圆形空气化通孔7半径为1.5mm，圆形空气化通孔7的个数为10个。
在更进一步的实施例中，本发明的天线工作时，采用50Ω同轴探针中心馈电的方式进行激励。能量由50Ω同轴探针输入，同轴探针的内部芯层连接馈电金属条带的上侧，巴伦结构与同轴探针的外部芯层连接。能量通过馈电金属条带向两侧周期性开槽的偶极子辐射单元传输和辐射，通过开关控制电路可以对两个偶极子单元的馈电相位进行控制，当两个偶极子同相时，天线工作在边射状态，当两个偶极子反相时，天线工作在端射状态。
一方面，如图2所示，本发明周期性开槽的偶极子辐射单元为主辐射结构，通过周期性开槽可以延长电流路径，实现小型化。巴伦结构，既可以起到平衡非平衡转换的作用，还可以改善天线的阻抗匹配，图4为天线的反射系数随工作频率的变化曲线，从中可以看出，在边射和端射状态，天线均实现了良好的匹配效果。
另一方面，结合图5、图6可见，本发明天线工作在边射状态时，中心开槽的金属地板起到反射面的作用，确保天线向上辐射，天线工作在端射状态时，中心开槽的金属地板未对方向图产生明显影响，从而保证天线能够实现良好的边射特性和端射特性。
本发明的基于具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，具有以下优点：通过50Ω同轴探针实现对天线的有效激励，使得微带贴片天线具有极简单的馈电形式，加工焊接、固定测试非常简便；微带巴伦结构设计除了可以起到平衡非平衡转换的作用，还增加了调节阻抗匹配的自由度；中心开槽的金属地板一方面保证天线工作在边射模式时的向上辐射特性，另一方面，未对天线的端射方向图产生影响。本发明具有边射端射可重构、天线结构简单、易于加工生产的特点，在射频识别、汽车、飞机雷达、和隧道通信等系统中具有潜在的应用价值。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (8)

1.一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，其特征在于，包括中心开槽的金属地板、巴伦结构、馈电金属条带、开关控制电路和两个周期性开槽的偶极子辐射单元；
巴伦结构、馈电金属条带、开关控制电路和两个周期性开槽的偶极子辐射单元，均置于一块介质板上固定，具体位置分布为：巴伦结构成中心对称置于介质板的下层；馈电金属条带位于介质板的上下两侧，连接两个偶极子；开关控制电路分别位于上下两侧的馈电金属条带上，并在介质板的上下表面对称铺设；两个周期性开槽的偶极子辐射单元位于介质板的左右两侧，每个偶极子上下交错分布在介质板上；中心开槽的金属地板位于介质板下方10mm处；
馈电金属条带分别与周期性开槽的偶极子辐射单元连接，从而实现馈电；结合上下两侧设置的所述开关控制电路，对所述偶极子辐射单元馈电相位进行控制，实现天线的边射端射可重构特性；
所述中心开槽的金属地板与介质板对正放置，前后两侧上下对应刻蚀一组圆形空气化通孔，用塑料螺钉固定。
2.根据权利要求1所述的一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，其特征在于，所述介质板为单层介质基片，长度为160mm，宽度为150mm，厚度为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，其特征在于，所述中心开槽的金属地板长为160mm，宽为150mm，厚度为1.0mm，且中心所开圆槽半径为5mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，其特征在于，所述巴伦结构由2个等腰直角三角形组成，对称分布在所述馈电金属条带两侧，等腰直角三角形斜边长为60mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，其特征在于，所述馈电金属条带可为同向馈电和反相馈电两部分，线宽为5mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，其特征在于，所述开关控制电路位于所述馈电金属条带上，由PIN二极管和保护电路组成。
7.根据权利要求1所述的一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，其特征在于，所述两个周期性开槽的偶极子辐射单元，偶极子单元的两臂上下交错分布在介质板上，尺寸为长69mm，宽10mm；开槽尺寸为长5mm，宽5mm；周期尺寸为10mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有边射端射可重构的平面微带贴片天线，其特征在于，所述介质板与中心开槽的金属地板前后两侧上下对应刻蚀一组圆形空气化通孔，空气化通孔半径为1.5mm，空气化通孔的个数为10个。
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