CN115036688B - 一种低剖面天线波束类型可重构超表面天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面天线波束类型可重构超表面天线，所示天线结构自上而下依次层叠设置的包括金属贴片、第一介质基板、金属地板、第二介质基板和微带馈电网络组成，其特征在于：所述金属地板有四条中心对称排布的耦合缝隙，所述第二介质基板的下层设置微带馈电网络，所述微带馈电网络用来实现对耦合缝隙的激励，通过切换两对PIN二极管的通断状态以实现锥形波束与笔形波束的远场方向图切换。本发明具有低剖面、小型化的特点，可以在不增加天线尺寸的情况下，仅通过一个馈电端口和四个PIN二极管实现锥形波束与笔形波束的切换，且均具有良好的辐射性能。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体为一种低剖面天线波束类型可重构超表面天线。
背景技术
随着无线通信系统的快速发展，可重构天线由于其可以提高无线系统的通信容量、消除极化失配、以及扩大天线辐射覆盖面积等作用，越来越得到广泛关注。可重构天线主要分为频率、极化和方向图可重构。其中，方向图可重构天线因能动态地改变天线辐射方向以及天线辐射波束类型，有效地减少噪声干扰并扩大信号覆盖范围，从而受到了广泛的研究。
在方向图可重构超表面天线的研究中，超表面天线因其剖面低、增益较高、易于与射频有源电路集成等优点而得到了广泛的应用。其中，超表面天线通常是通过控制射频开关的通断状态来实现方向图重构。
文献1(Li W.,Wang Y.M.,Hei Y.,et al.A Compact Low-ProfileReconfigurable Metasurface Antenna With Polarization and Pattern Diversities[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2021,20(7):1170-1174.)，提出了一种中心频率为5GHz的紧凑型低剖面可重构超表面天线，实现了极化和方向图可重构，其方向图可重构实现了波束指向角的可控，但没有实现波束类型的可重构。
文献2(Janapala D.K.,Caspe F.S.,Moses N.Metasurface basedpatternreconfigurable antenna for 2.45GHz ISM band applications[J].InternationalJournal ofRF and Microwave Computer-Aided Engineering,2019,29(6).)，提出了一种工作在2.45GHz的方向图可重构超表面天线，通过8个金属寄生贴片单元以及对应的8个二极管实现波束指向角度的控制，但没有实现波束类型的重构。
文献3(Zhang Z.,WuW.,WuZ.Pattern Reconfigurable MetasurfaceAntennawith Five States[C].IEEE MTT-S International Wireless Symposium(IWS).2019,pp.1-3.)，提出了一种低剖面方向图可重构超表面天线，通过五种工作状态实现波束指向角度的控制，但是同样没有实现波束类型的重构。
在方向图可重构超表面天线的研究中，关于方向图波束类型的研究少之又少，大部分研究局限于方向图波束指向角度或者极化方向的可重构。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明提出了一种低剖面天线波束类型可重构超表面天线。
实现本发明目的的技术方案为：一种低剖面天线波束类型可重构超表面天线，包括堆叠在一起的第一介质基板以及第二介质基板，所述第一介质基板的第一面设有金属贴片，所述第二介质基板面向第一介质基板的一面设有金属地板，所述金属地板上设有四条耦合缝隙，四条耦合缝隙围成正方形且相邻缝隙未连接，所述第二介质基板远离第一介质基板的一面设有微带馈电网络，所述微带馈电网络用于实现对耦合缝隙的激励，并通过切换两对PIN二极管的通断状态以实现锥形波束与笔形波束的远场方向图切换。
优选地，所述金属贴片呈3x3矩阵式排列，且位于第一介质基板(2)的中心。
优选地，所述微带馈电网络为一分四T型功分器。
优选地，所述馈电网络包括馈电端口，与馈电端口连接的第一一分二支路，第一一分二支路的两个分口分别与两个第二一分二支路连接，所述第一一分二支路的其中一条支路，通过控制四个PIN二极管的通断实现馈电相位的控制，具体为：所述第一一分二支路的其中一条支路上设有两条90度相位差的微带线，其中，PIN二极管pin1和pin2连接在其中一条微带线两端，PIN二极管pin3、pin4控制另一条微带线，当PIN1、PIN2处于截止状态，PIN3、PIN4处于导通状态时，所述微带馈电网络在两个正交方向上分别实现等幅同相馈电，从而实现笔形波束；当PIN1、PIN2处于导通状态，PIN3、PIN4处于截止状态时，所述微带馈电网络在两个正交方向上分别实现等幅反相馈电，从而实现锥形波束。
优选地，四条耦合缝隙尺寸相同，每条缝隙宽S1＝1.4mm，长S2＝22mm，一对缝隙的内侧间距S3＝25.4mm。
优选地，所述第一介质基板以及第二介质基板尺寸相同，边长均为W1＝80mm。
优选地，单个正方形金属贴片单元边长W2＝12mm，金属贴片之间的间距为W3＝1.4mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明突破以往的方向图波束指向角度可重构、天线极化方式可重构，实现了锥形波束和笔形波束两种波束类型的方向图重构。
(2)本发明馈电简单、集成度高，只需要一个馈电端口和四个PIN二极管即可实现所述功能。
(3)本发明具有剖面低、小型化的特点，便于加工且生产成本低。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明的三维爆炸图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明的金属地板结构示意图。
图4为本发明的微带馈电网络结构示意图。
图5为本发明的侧视图。
图6为PIN1、PIN2处于截止状态，PIN3、PIN4处于导通状态时的超表面天线仿真结果，(a)为反射系数，(b)为5.5GHz处E面、H面辐射方向图。
图7为PIN1、PIN2处于导通状态，PIN3、PIN4处于截止状态时的超表面天线仿真结果，(a)为反射系数，(b)为6.5GHz处E面、H面辐射方向图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。
本发明构思为，一种低剖面天线波束类型可重构超表面天线，如图1所示，包括自上而下依次层叠设置的金属贴片(1)、第一介质基板(2)、金属地板(3)、第二介质基板(4)和微带馈电网络(5)，所述金属地板(3)有四条中心对称排布的耦合缝隙(6、7、8、9)，所述第二介质基板(4)的下层设置微带馈电网络(5)，所述微带馈电网络(5)用来实现对耦合缝隙的激励，通过切换两对PIN二极管的通断状态以实现锥形波束与笔形波束的远场方向图切换。
进一步的实施例中，所述金属贴片(1)由3x3个正方形金属贴片单元中心对称排布组成，位于第一介质基板(2)的上表面中心处。
进一步的实施例中，所述金属地板(3)上中心对称地开有四条耦合缝隙(6、7、8、9)。
上述的技术方案中，所述微带馈电网络(5)为一分四T型功分器，从而实现对耦合缝隙(6、7、8、9)的激励。所述馈电网络(5)的一条支路通过控制四个PIN二极管的通断实现馈电相位的控制，其中，当PIN1、PIN2处于截止状态，PIN3、PIN4处于导通状态时，所述微带馈电网络(5)在两个正交方向上分别实现等幅同相馈电，从而实现笔形波束；当PIN1、PIN2处于导通状态，PIN3、PIN4处于截止状态时，所述微带馈电网络(5)在两个正交方向上分别实现等幅反相馈电，从而实现锥形波束。
本发明采用微带馈电网络馈电，由四条耦合缝隙以及金属贴片共同作用，通过控制两对PIN二极管控制方向图切换，提出一种低剖面天线波束类型可重构超表面天线。
实施例1
本实施例的一种低剖面天线波束类型可重构超表面天线，其特征在于，所示天线结构包括自上而下依次层叠设置的金属贴片、第一介质基板、金属地板、第二介质基板和微带馈电网络，所述金属地板有四条中心对称排布的耦合缝隙，所述第二介质基板的下层设置微带馈电网络，所述微带馈电网络用来实现对耦合缝隙的激励，通过切换两对PIN二极管的通断状态以实现锥形波束与笔形波束的远场方向图切换。
其中，实施例1所选PIN二极管型号为SMP1320-079LF，所述PIN二极管处于截止状态时，其等效为一个0.5nH的电感与一个0.24pF的电容串联；当PIN二极管处于导通状态时，其等效为一个0.5Ω的电阻与一个0.25nH的电感串联。
结合图2，本发明的超表面天线的正方形介质基板边长W1＝80mm，所示金属贴片由3x3个正方形金属贴片单元中心对称排布组成，单个正方形金属贴片单元边长W2＝12mm，金属贴片之间的间距为W3＝1.4mm，所示底部馈电端口尺寸W4＝4mm。
结合图3，所述金属地板上中心对称地开有四条耦合缝隙，其尺寸相同，每条缝隙宽S1＝1.4mm，长S2＝22mm，一对缝隙的内侧间距S3＝25.4mm。
结合图4，所示微带馈电网络为一分四T型功分器，从而实现对耦合缝隙的激励，其馈电网络结构具体尺寸如表Ⅰ所示。
结合图5所示的超表面天线侧视图，第一介质基板的厚度H1＝3mm，第二介质基板的厚度H2＝0.508mm，整体结构厚度为0.064λ0(λ0为5.5GHz真空波长)，具有低剖面的特点。
将天线整体结构在电磁仿真软件HFSS中进行仿真分析。当PIN1、PIN2处于截止状态，PIN3、PIN4处于导通状态时，所述微带馈电网络在两个正交方向上分别实现等幅同相馈电，所发明的超表面天线实现了笔形波束辐射。如图6(a)、6(b)所示，，其在5.17～5.67GHz频率范围内反射系数低于-10dB，工作带宽为0.5GHz，相对带宽为9.1％，最大增益为9.13dBi，具有良好的辐射性能。
当PIN1、PIN2处于导通状态，PIN3、PIN4处于截止状态时，所述微带馈电网络在两个正交方向上分别实现等幅反相馈电，所发明的超表面天线实现了锥形波束辐射。如图7(a)、7(b)所示，其在6.05～7.23GHz频率范围内反射系数低于-10dB，工作带宽为1.18GHz，相对带宽为18.2％，最大增益为5.86dBi，具有良好的辐射性能。
综上所述，本发明公开了一种低剖面天线波束类型可重构超表面天线，所示天线结构自上而下依次层叠设置的包括金属贴片、第一介质基板、金属地板、第二介质基板和微带馈电网络组成，所述金属地板有四条中心对称排布的耦合缝隙，位于第二介质基板下方的微带馈电网络用来实现对耦合缝隙的激励，通过切换两对PIN二极管的通断状态以实现锥形波束与笔形波束的远场方向图切换。本发明具有低剖面、小型化的特点，可以在不增加天线尺寸的情况下，仅通过一个馈电端口和四个PIN二极管实现锥形波束与笔形波束的切换，且均具有良好的辐射性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。
应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。
Claims (4)
1.一种低剖面天线波束类型可重构超表面天线，其特征在于，包括堆叠在一起的第一介质基板(2)以及第二介质基板(4)，所述第一介质基板(2)的第一面设有金属贴片(1)，所述第二介质基板(4)面向第一介质基板(2)的一面设有金属地板(3)，所述金属地板(3)上设有四条耦合缝隙(6、7、8、9)，四条耦合缝隙(6、7、8、9)围成正方形且相邻缝隙未连接，所述第二介质基板(4)远离第一介质基板(2)的一面设有微带馈电网络(5)，所述微带馈电网络(5)用于实现对耦合缝隙的激励，并通过切换两对PIN二极管的通断状态以实现锥形波束与笔形波束的远场方向图切换；所述金属贴片(1)呈3x3矩阵式排列，且位于第一介质基板(2)的中心；所述微带馈电网络(5)为一分四T型功分器；所述馈电网络(5)包括馈电端口，与馈电端口连接的第一一分二支路，第一一分二支路的两个分口分别与两个第二一分二支路连接，所述第一一分二支路的其中一条支路，通过控制四个PIN二极管的通断实现馈电相位的控制，具体为：所述第一一分二支路的其中一条支路上设有两条90度相位差的微带线，其中，PIN二极管pin1和pin2连接在其中一条微带线两端，PIN二极管pin3、pin4控制另一条微带线，当PIN1、PIN2处于截止状态，PIN3、PIN4处于导通状态时，所述微带馈电网络(5)在两个正交方向上分别实现等幅同相馈电，从而实现笔形波束；当PIN1、PIN2处于导通状态，PIN3、PIN4处于截止状态时，所述微带馈电网络(5)在两个正交方向上分别实现等幅反相馈电，从而实现锥形波束。
2.根据权利要求1所述的低剖面天线波束类型可重构超表面天线，其特征在于，四条耦合缝隙尺寸相同，每条缝隙宽S1=1.4mm，长S2=22mm，一对缝隙的内侧间距S3=25.4mm。
3.根据权利要求1所述的低剖面天线波束类型可重构超表面天线，其特征在于，所述第一介质基板(2)以及第二介质基板(4)尺寸相同，边长均为W1=80mm。
4.根据权利要求1所述的低剖面天线波束类型可重构超表面天线，其特征在于，单个正方形金属贴片单元边长W2=12mm，金属贴片之间的间距为W3=1.4mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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