CN114824790A - 基于基片集成波导的新型极化可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波天线技术领域，具体地说，是一种基于基片集成波导的新型极化可重构天线，包含两层金属层、一层介质层和若干金属圆柱。自上而下分别是第一层金属层、中间介质层和第二层金属层。第一层金属层为包含方形环状缝隙的金属层；第二层金属层为包含共面波导馈电结构的金属层。在第一层金属层上蚀刻4根首尾相连的矩形缝隙并额外引入4个寄生切角，通过在缝隙适当位置加载4个二极管，使天线在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间灵活切换，并且由于结构的特殊性，该二极管偏置电路更加简单，因此性能更优。本发明实现了SIW背腔缝隙天线的极化可重构性能，同时保持天线在各个状态下的工作性能。

Description

基于基片集成波导的新型极化可重构天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体地说，是一种基于基片集成波导的新型极化可重构天线。
背景技术
随着无线通讯需求的日益增长，频谱资源匮乏问题也逐渐突出。为了有效地提高资源的利用效率，各种可重构天线涌现出来，可重构天线可分为极化、频率、方向图可重构三种类型，它们往往通过在缝隙处添加适量的二极管、变容二极管等有源器件改变天线的辐射体或馈电网络，因其结构简单、功能丰富而被广泛使用。圆极化天线在无线电通信领域具有重要的地位，应用广泛。它可以接收任何线极化的来波，所以当圆极化天线被当作接收天线时，容错率较高，因此设计出可同时工作在圆极化与线极化状态下的天线具有重要意义。
文献“A Low-Profile Reconfigurable Cavity-Backed Slot Antenna WithFrequency, Polarization, and Radiation Pattern Agility[J]. IEEE Transactionson Antennas & Propagation, 2017, PP(5):1-1.”提出了一种实现频率、极化和方向图均可重构的SIW背腔缝隙天线。该天线在SIW谐振腔上表面与下表面同时蚀刻十字形缝隙，然后在缝隙的恰当位置添加二极管，通过控制二极管的状态使天线实现频率、方向图和极化状态的可重构。该天线结构简单，但它在各种状态下的工作带宽较窄且在工作频率范围内的增益不高。
以往大量基于基片集成波导的可重构天线研究中，兼顾工作带宽与增益两个性能的设计并不多。因此研究出工作带宽和增益性能均良好的天线具有重大意义。
发明内容
为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明提供了一种基于基片集成波导的新型极化可重构天线，实现SIW背腔缝隙天线极化可重构的新思路，通过在在辐射表面上的恰当缝隙处加载二极管，使天线在线极化和两种圆极化之间灵活切换。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：
一种基于基片集成波导的新型极化可重构天线，包括第一层金属层、中间介质基板、第二层金属层和若干金属圆柱；中间介质基板的上表面是第一层金属层，第一层金属层的中间具有一个与中间介质基板四周平行的方形环状缝隙，该方形环状缝隙的内部由4个寄生切角、八边形金属贴片和4个二极管组成，同时4个寄生切角和八边形金属贴片之间的间距相等，该间距和方形环状缝隙宽度一致，且该八边形金属贴片是天线的主辐射贴片，然后在每个寄生切角和主辐射贴片之间均放置1个二极管，总共放置4个二极管。而且第一层金属层是天线的辐射面；中间介质基板的下表面是第二层金属层，包含接地共面波导馈电结构；金属圆柱贯穿中间介质基板，金属圆柱的两端分别连接着第一层金属层和第二层金属层。
作为本发明的进一步优化方案，中间介质基板由Rogers 5880材料制作而成，其厚度为1.575mm，内部金属圆柱组成的SIW谐振方腔边长为30mm。
作为本发明的进一步优化方案，第一层金属层的方形环状缝隙宽度和边长根据设计指标确定，宽度在0.5-0.9mm之间，优选为0.8mm，边长在12mm-14mm之间，优选为13.5mm，4个寄生切角与八边形金属贴片之间的间距均在0.5-0.9mm之间，优选为0.8mm。
作为本发明的进一步优化方案，第二层金属层中接地共面波导的内部金属条带长在8-10mm之间，优选为9mm，宽在0.4-0.8mm之间，优选为0.5mm。
作为本发明的进一步优化方案，第一层金属层的寄生切角和主辐射贴片之间的距离根据设计指标确定。
作为本发明的进一步优化方案，二极管型号均为MADP-000907-14020。
作为本发明的进一步优化方案，微带线和端口的阻抗均为50欧姆。
本发明的工作原理：若干金属圆柱贯穿中间介质基板，两端分别连接着第一层金属层和第二层金属层，形成了一个SIW谐振腔，从而达到一个低剖面的目的；天线通过第二层金属层的接地共面波导结构给谐振腔馈电，激励起第一层金属层的辐射缝隙向外辐射电磁波，通过控制二极管的状态使得相应的缝隙被短路或开路，天线的辐射缝隙发生变化，产生左旋圆极化、右旋圆极化和线极化波。整个天线在三种工作状态下均能获得良好的辐射性能，在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化状态下的相对工作带宽分别达到4.4%和1.8%，且每个状态下的工作频率范围内均能达到6.5dBi左右的辐射增益；相较于其他类型的SIW可重构天线，本发明的相对工作带宽和工作频率范围内的辐射增益均呈现良好的性能。
本发明的有益效果是：本发明通过控制SIW谐振腔上表面的二极管状态，激励起谐振腔内部的一对简并模（TE102模和TE201模）并使简并模间的相位差达到90度，使得天线能够工作在左旋圆极化和右旋圆极化状态下；本发明通过控制SIW谐振腔上表面的二极管状态，激励起谐振腔内部的TE102模，使得天线能够工作在线极化状态下；本发明提出一种新型的实现SIW极化可重构天线的设计，且由于寄生贴片的独立性，该天线的偏置电路相较于其他SIW可重构天线更加简单，不需要额外添加有源器件便能单独控制每个二极管的状态；发明最终使得SIW极化可重构天线在保持良好的辐射性能的同时，使得天线结构更加简单，更易于加工。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明中间介质基板上表面示意图。
图3是本发明中间介质基板的下表面示意图。
图4是是本发明实施例线极化以及两种圆极化状态下的仿真S参数图。
图5是本发明实施例线极化以及两种圆极化状态下的仿真轴比图。
图6是本发明实施例线极化以及两种圆极化状态下的仿真增益图。
图7是本发明实施例线极化状态下在6.59GHz处的E面仿真方向图。
图8是本发明实施例线极化状态下在6.59GHz处的H面仿真方向图。
图9是本发明实施例左旋圆极化状态下在6.76GHz处的XOZ仿真方向图。
图10是本发明实施例左旋圆极化状态下在6.76GHz处的YOZ仿真方向图。
图11是本发明实施例右旋圆极化状态下在6.76GHz处的XOZ仿真方向图。
图12是本发明实施例右旋圆极化状态下在6.76GHz处的YOZ仿真方向图。
图中，1-第一层金属层，2-中间介质基板，3-第二层金属层，4-金属圆柱，5-方形环状缝隙，6-寄生贴片，7-八边形金属贴片，8-二极管，9-接地共面波导馈电结构。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：一种基于基片集成波导的极化可重构天线，结构示意如图1到图3所示，其中图1是结构的立体图，第一层金属层1位于中间介质基板2的上表面，第二层金属层3位于中间介质基板2的下表面，金属圆柱4贯穿中间介质基板2，两端分别连接着第一层金属层1和第二层金属层3；图2示意了第一层金属层1的结构，第一层金属层1有一个方形环状缝隙5，缝隙的四个边和中间介质基板2的四个边相互平行，首先在方形环状缝隙5内部引入4个寄生贴片6，使方形环状缝隙内部由4个寄生切角和八边形金属贴片7组成，寄生切角6与八边形金属贴片7均相隔一定间距，与方形环状缝隙5宽度一致，然后将寄生切角6和八边形金属贴片7用二极管8连接，方形环状缝隙的宽度、二极管的数量和加载位置都是影响天线实现极化可重构性能的重要因素；图3示意了第二层金属层3的结构，包含接地共面波导馈电结构9。
所述中间介质基板是由Rogers 5880材料制作而成，其厚度是1.575mm，内部金属圆柱组成的SIW谐振方腔边长为30mm。
所述第一层金属层1中方形环状缝隙的宽度为0.8mm，边长为13.5mm；4个寄生切角与内部主辐射贴片之间的间距均为0.8mm，和方形环状缝隙宽度相等；加载在寄生切角与内部主辐射贴片之间二极管型号均为MADP-000907-14020。
所述第二层金属层3中接地共面波导的内部金属条带长为9mm，宽为0.5mm。
实施例的仿真结果如图4到图12所示，由于结构的对称性，两种圆极化状态下的工作性能基本保持一致，其中天线在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化状态下的反射系数小于-10dB的仿真带宽分别为6.45GHz-6.74GHz和6.54GHz-7.09GHz，两种圆极化状态下的3dB轴比带宽均覆盖6.7GHz-6.82GHz，线极化以及两种圆极化状态在工作带宽内天线的增益分别为6.08dBi-6.36dBi和6.69dBi-6.87dBi，天线在三种状态下的前后比均大于20dB。天线在各个状态下均呈现良好的辐射性能，说明本发明结构不仅能实现线极化与两种圆极化状态间的灵活切换，并且结构简单，各个状态下的工作带宽和辐射增益均表现良好。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于基片集成波导的新型极化可重构天线，其特征在于，包括第一层金属层、中间介质基板、第二层金属层和若干金属圆柱，所述中间介质基板的上表面是第一层金属层，所述第一层金属层的中间具有一个与所述中间介质基板四周平行的方形环状缝隙，所述方形环状缝隙的内部由4个寄生切角、1个八边形金属贴片和4个二极管组成，所述4个寄生切角和所述八边形金属贴片之间的间距相等，该间距和所述方形环状缝隙宽度一致，每个寄生切角和八边形金属贴片之间均设置1个二极管，所述中间介质基板的下表面是第二层金属层，所述第二层金属层表面设置有接地共面波导馈电结构，所述金属圆柱贯穿中间介质基板且两端分别连接着第一层金属层和第二层金属层。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的新型极化可重构天线，其特征在于，所述中间介质基板厚度为1.575mm，内部所述金属圆柱组成的SIW谐振方腔边长为30mm。
3.根据权利要求2所述的基于基片集成波导的新型极化可重构天线，其特征在于，所述第一层金属层中方形环状缝隙的宽度在0.5-0.9mm之间，边长在12mm-14mm之间，4个寄生切角与八边形金属贴片之间的间距均在0.5-0.9mm之间。
4.根据权利要求3所述的基于基片集成波导的新型极化可重构天线，其特征在于，所述第一层金属层中方形环状缝隙的宽度为0.8mm，边长为13.5mm，4个寄生切角与八边形金属贴片之间的间距均为0.8mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于基片集成波导的新型极化可重构天线，其特征在于，所述二极管型号均为MADP-000907-14020。
6.根据权利要求5所述的基于基片集成波导的新型极化可重构天线，其特征在于，所述第二层金属层中接地共面波导的内部金属条带长在8-10mm之间，宽在0.4-0.8mm之间。
7.根据权利要求6所述的基于基片集成波导的新型极化可重构天线，其特征在于，所述第二层金属层中接地共面波导的内部金属条带长为9mm，宽为0.5mm。
8.根据权利要求7所述的基于基片集成波导的新型极化可重构天线，其特征在于，所述第二层金属层中接地共面波导的微带线和端口的阻抗均为50欧姆。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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