CN115347364A - 一种基于互补原理的方向图可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于互补原理的方向图可重构天线，属于通信技术领域，它包括第一介质基板、第二介质基板和金属地板，金属地板设置在第一介质基板和第二介质基板之间；在第二介质基板的下层印刷有可重构馈电微带线结构，在可重构馈电微带线结构上加载有多个Pin二极管，可重构馈电微带线结构的中心与馈电同轴线的外芯相连，馈电同轴线的内芯与金属地板相连；在第一介质基板的上层印刷有四对辐射体。本发明基于镜像原理，顶部加载的电单极子能够实现低剖面结构的等效电流元，半模开口谐振环实现低剖面结构的等效磁流元；基于互补原理，低剖面结构的辐射体对由等效电流元和磁流元能够产生对应的辐射方向图响应。

Description

一种基于互补原理的方向图可重构天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于互补原理的方向图可重构天线。

背景技术

当前，现代通信信息技术突飞猛进，对系统中的设备提出了重量轻、 成本低、体积小和性能多样化的要求，可重构天线能够根据其使用场景来改变工作模式，如改变工作频率、辐射方向或者是极化方式等，以此来满足无线通讯系统中不同的需求,这相当于单一天线以更小的空间占用和成本来实现多个天线才具有的功能。在其中，方向图可重构天线指的是在工作频率以及极化方式不改变的情况下，可以根据外部环境的变化实现不同的辐射方向图状态的天线。

实现方向图可重构的方法一般可分为三种：第一种是在主辐射体上加载二极管开关或变容管，来改变天线表面的电流和电抗，从而实现不同的方向图状态；第二种是通过在寄生单元表面加载二极管开关或变容管，应用八木天线原理，从而改变天线主波束的指向；第三种是通过馈电网络上加载二极管开关或变容管，来改变天线的馈电相位、幅度或单元的激励状态，从而实现方向图可重构功能。

其中利用可重构的八木天线是方向图可重构天线最常用的方法，但是，此类结构会增大天线的整体尺寸，不利于小型化设计，此外寄生贴片也会影响主贴片的辐射性能；而基于可重构馈电网络实现的方向图可重构功能结构较为复杂，且需要用到多个开关，因此操作难度比较大，总的来说，现有的方向图可重构天线基本都存在着尺寸大、工作带宽较窄、天线结构复杂和方向图可重构状态少等缺点。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于互补原理的方向图可重构天线，解决了现有方向图可重构天线存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于互补原理的方向图可重构天线，它包括第一介质基板、第二介质基板和金属地板，所述金属地板设置在第一介质基板和第二介质基板之间，第一介质基板、地板和第二介质基板之间通过金属柱固定；

在所述第二介质基板的下层印刷有可重构馈电微带线结构，在可重构馈电微带线结构上加载有多个Pin二极管，由多个Pin二极管控制可重构馈电微带线结构的电流分布，可重构馈电微带线结构的中心与馈电同轴线的外芯相连，馈电同轴线的内芯与金属地板相连，实现平衡馈电；在第一介质基板的上层印刷有四对辐射体，每对辐射体产生对应的定向辐射方向图。

四对辐射体呈中心对称结构，每对所述辐射体均包括电单极子和半模开口谐振环，电单极子印刷于半模开口谐振环的内侧且与半模开口谐振环的切线垂直；四个半模开口谐振环分布位于上、下、左和右四个方向上，相互之间组成一个圆形结构且不相互连接，四个电单极子之间分别相差90°。

所述可重构馈电微带线结构包括印刷于所述第二介质基板中心位置的圆形馈电贴片，在圆形馈电贴片的四个方向上均延伸印刷有可重构微带线，四个方向角度分别相差90°，馈电同轴线的外芯与圆形馈电贴片相连，在每根可重构微带线与圆形馈电贴片之间加载有PIN二极管，由四个Pin二极管控制可重构微带线的电流分布。

每根可重构微带线对应一个辐射体，每根可重构微带线独立控制对应辐射体的激励状态，并通过控制Pin二极管的通断产生不同的辐射方向图，从而实现方向图的可重构。

每个方向上的半模开口谐振环通过金属柱与对应方向上的可重构微带线的末端连接；每个方向上的电单极子通过金属柱与对应方向上的可重构微带线连接。

所述第一介质基板和第二介质基板均采用厚度为0.5mm的F48K介质板，馈电同轴线为50欧姆的半刚性同轴线。

本发明具有以下优点：

1、基于镜像原理，顶部加载的电单极子能够实现低剖面结构的等效电流元，半模开口谐振环实现低剖面结构的等效磁流元。

2、基于互补原理，低剖面结构的辐射体对由等效电流元和磁流元能够产生对应的辐射方向图响应。

3、用馈电同轴线由天线中心点馈电，四个可重构微带线能够分别控制每对辐射体的激励状态，且拥有良好的阻抗匹配响应用于阻抗变换，实现良好的阻抗匹配。

4、采用了四对辐射体，每对辐射体可以产生相应的定向辐射，且由于辐射体的位置设置，可以产生在φ平面的八种不同的辐射方向图状态。

5、金属柱不仅能够起到构成辐射体的作用，同时能够稳固的将两层基板连接起来，保证了两层基板之间的空气层的高度。

附图说明

图1 为本发明的立体结构示意图；

图2 为本发明的第一介质基板的结构示意图；

图3 为本发明的第二介质基板的结构示意图；

图4 为本发明的阻抗匹配（|S₁₁|）曲线示意图；

图5 为本发明的最大增益曲线示意图；

图6 为本发明的在θ=45^°平面状态为1、3、5和7的归一化辐射方向图；

图7 为本发明的在θ=45^°平面状态为2、4、6和8的归一化辐射方向图；

图中：1-第一介质基板，2-第二介质基板，3-金属地板，4-可重构微带线，5-Pin二极管，6-馈电同轴线，7-电单极子，8-半模开口谐振环，9-金属柱，10-圆形馈电贴片。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明涉及一种基于互补原理的方向图可重构天线，基于互补原理和镜像原理的方向图可重构天线，拥有多样的辐射方向图状态，有利于智能设备中的多样化应用；该天线的的紧凑尺寸，有利于在小尺寸的场景应用；它包括第一介质基板1、第二介质基板2和金属地板3，所述金属地板3设置在第一介质基板1和第二介质基板2之间，第一介质基板1、地板3和第二介质基板2之间通过金属柱9固定；

在所述第二介质基板2的下层印刷有可重构馈电微带线结构，在可重构馈电微带线结构上加载有多个Pin二极管5，由多个Pin二极管5控制可重构馈电微带线结构的电流分布，可重构馈电微带线结构的中心与馈电同轴线6的外芯相连，馈电同轴线6的内芯与金属地板3相连，实现平衡馈电；在第一介质基板1的上层印刷有四对辐射体，基于互补原理，每对辐射体产生对应的定向辐射方向图。

如图2和图3所示，四对辐射体呈中心对称结构，每对所述辐射体均包括电单极子7和半模开口谐振环8，电单极子7印刷于半模开口谐振环8的内侧且与半模开口谐振环8的切线垂直；四个半模开口谐振环8分布位于上、下、左和右四个方向上，相互之间组成一个圆形结构且不相互连接，四个电单极子7之间分别相差90°。

进一步地，可重构馈电微带线结构包括印刷于所述第二介质基板2中心位置的圆形馈电贴片10，在圆形馈电贴片10的四个方向上均延伸印刷有可重构微带线4，四个方向角度分别相差90°，馈电同轴线6的外芯与圆形馈电贴片10相连，在每根可重构微带线4与圆形馈电贴片10之间加载有Pin二极管5，由四个Pin二极管5（分别为Pin 1、Pin 2、Pin 3和Pin4）控制可重构微带线4的电流分布。

其中，每根可重构微带线4对应一个辐射体，每根可重构微带线4独立控制对应辐射体的激励状态，并通过控制Pin二极管5的通断产生不同的辐射方向图，从而实现方向图的可重构。

每个方向上的半模开口谐振环8通过金属柱9与对应方向上的可重构微带线4的末端连接；每个方向上的电单极子7通过金属柱9与对应方向上的可重构微带线4连接。

进一步地，每根可重构微带线4的长度远小于天线工作频率的谐振长度，所以不会对天线辐射性能产生影响；另外，一方面基于金属地板3带来的镜像原理引入电单极子7的结构，另一方面利可重构微带线4对电单极子7进行加载，两个方面都极大地降低了电性单元的剖面。

其中，由于镜像原理，半模结构的半模开口谐振环8具有与全模开口谐振环相似的性能，但是却将剖面降低了一半，每对辐射体对基于互补原理可以产生相应的方向图辐射响应，而每根可重构微带线4能够独立控制对应的辐射体的激励状态，从而实现方向图的可重构。

第一介质基板1和第二介质基板2均采用厚度为0.5mm的F48K介质板，馈电同轴线6为50欧姆的半刚性同轴线的SMA（3.5mm），天线的设计频段为Sub-6 GHz应用频段（2600-4900MHz），极化方式为垂直极化。

本发明能够在工作频带内实现稳定的定向方向图辐射响应，同时能够被巧妙设计的馈电微带线独立控制其激励状态。有顶层加载的电单极子可以等效为电流元，而半模的开口谐振环上提供同向的电流分布，由镜像原理可知，垂直于等效PEC表面的实际电流与镜像电流是同向的，平行于等效PEC表面的实际电流与镜像电流是反向的，从而综合为一个电流环，等效为一个磁流元。基于互补原理，由等效电流元和等效磁流元的组成的辐射体对实现定向辐射方向图，可重构的馈电微带线控制四对辐射体的激励状态，从而产生不同的辐射方向图。通过调节天线中每个结构的尺寸，实现不同方向图辐射状态工作在同一频带中。四个Pin二极管的通断状态及其对应的辐射方向图在φ平面上 (θ=45°)指向的角度如下表1所示。

表1

状态	Pin 1	Pin 2	Pi n 3	Pi n 4	辐射方向
						状态1	通	通	通	断	270<sup>°</sup>
状态2	通	通	断	断	225<sup>°</sup>
						状态3	通	通	断	通	180<sup>°</sup>
状态4	通	断	断	通	135<sup>°</sup>
						状态5	通	断	通	通	90<sup>°</sup>
状态6	断	断	通	通	45<sup>°</sup>
						状态7	断	通	通	通	0<sup>°</sup>
状态8	断	通	通	断	315<sup>°</sup>

图4-图7展示了天线的带宽和辐射性能，图3为本发明的阻抗匹配曲线，设计在3.5GHz左右；图5为本发明的增益曲线图，最大增益达到了5.7 dBi；图6和图7为本发明的辐射方向图。从结果上来看，本发明提供的天线具有宽带特性，同时天线的辐射方向性能较为优异。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于互补原理的方向图可重构天线，其特征在于：它包括第一介质基板（1）、第二介质基板（2）和金属地板（3），所述金属地板（3）设置在第一介质基板（1）和第二介质基板（2）之间，第一介质基板（1）、地板（3）和第二介质基板（2）之间通过金属柱（9）固定；

在所述第二介质基板（2）的下层印刷有可重构馈电微带线结构，在可重构馈电微带线结构上加载有多个Pin二极管（5），由多个Pin二极管（5）控制可重构馈电微带线结构的电流分布，可重构馈电微带线结构的中心与馈电同轴线（6）的外芯相连，馈电同轴线（6）的内芯与金属地板（3）相连，实现平衡馈电；在第一介质基板（1）的上层印刷有四对辐射体，每对辐射体产生对应的定向辐射方向图。

2.根据权利要求1所述的一种基于互补原理的方向图可重构天线，其特征在于：四对辐射体呈中心对称结构，每对所述辐射体均包括电单极子（7）和半模开口谐振环（8），电单极子（7）印刷于半模开口谐振环（8）的内侧且与半模开口谐振环（8）的切线垂直；四个半模开口谐振环（8）分布位于上、下、左和右四个方向上，相互之间组成一个圆形结构且不相互连接，四个电单极子（7）之间分别相差90°。

3.根据权利要求2所述的一种基于互补原理的方向图可重构天线，其特征在于：所述可重构馈电微带线结构包括印刷于所述第二介质基板（2）中心位置的圆形馈电贴片（10），在圆形馈电贴片（10）的四个方向上均延伸印刷有可重构微带线（4），四个方向角度分别相差90°，馈电同轴线（6）的外芯与圆形馈电贴片（10）相连，在每根可重构微带线（4）与圆形馈电贴片（10）之间加载有Pin二极管（5），由四个Pin二极管（5）控制可重构微带线（4）的电流分布。

4.根据权利要求3所述的一种基于互补原理的方向图可重构天线，其特征在于：每根可重构微带线（4）对应一个辐射体，每根可重构微带线（4）独立控制对应辐射体的激励状态，并通过控制Pin二极管（5）的通断产生不同的辐射方向图，从而实现方向图的可重构。

5.根据权利要求3所述的一种基于互补原理的方向图可重构天线，其特征在于：每个方向上的半模开口谐振环（8）通过金属柱（9）与对应方向上的可重构微带线（4）的末端连接；每个方向上的电单极子（7）通过金属柱（9）与对应方向上的可重构微带线（4）连接。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种基于互补原理的方向图可重构天线，其特征在于：所述第一介质基板（1）和第二介质基板（2）均采用厚度为0.5mm的F48K介质板，馈电同轴线（6）为50欧姆的半刚性同轴线。

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