CN115347370A - 一种非互易性辐射方向图可重构的天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非互易性辐射方向图可重构的天线，属于天线领域。包括：铜箔辐射体、铜箔馈电网络和介质基板；所述铜箔辐射体位于所述介质基板一面，所述铜箔馈电网络位于所述介质基板另一面；所述铜箔馈电网络用于接收不同的低频调制信号并产生第一相位差和第二相位差；所述铜箔辐射体用于根据所述第一相位差和所述第二相位差产生辐射形成辐射方向图；所述辐射方向图包括接收方向图和发射方向图；所述辐射方向图为非互易性方向图。本发明实现了辐射方向图的可重构性和非互易性。

Description

一种非互易性辐射方向图可重构的天线
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是涉及一种非互易性辐射方向图可重构的天线。
背景技术
现有的诸多天线在设计完成后，天线的方向图特性也已固化，不可调整。然而随着科技的快速发展和通信场景的多样化的出现，对方向图可重构天线的需求愈发迫切。方向图可重构天线具有辐射方向图按需要可重新构造的特性，且方向图具有非互易性，可以很好地灵活适应多样化和多变化的通信场景，在许多工程应用中具有重要的价值。
另外，目前的传统天线的辐射方向图几乎均是互易性的，即发射方向图和接收方向图形状相同，应用场景受限，频谱利用率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种非互易性辐射方向图可重构的天线，以解决现有技术中的互易性天线产生的辐射方向图固化的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种非互易性辐射方向图可重构的天线，包括：铜箔辐射体、铜箔馈电网络和介质基板；所述铜箔辐射体位于所述介质基板一面，所述铜箔馈电网络位于所述介质基板另一面；
所述铜箔馈电网络用于接收不同的低频调制信号并产生第一相位差和第二相位差；所述铜箔辐射体用于根据所述第一相位差和所述第二相位差产生辐射形成辐射方向图；所述辐射方向图包括接收方向图和发射方向图；所述辐射方向图为非互易性方向图。
可选地，所述铜箔馈电网络包括依次连接的第一馈电网络、微带线馈线和第二馈电网络；
所述第一馈电网络包括依次连接的第一微带线、第一谐振器单元、第二谐振器单元、第三谐振器单元、第四谐振器单元、第二微带线和扇形匹配结构；所述第一馈电网络还包括第一时变调制电路和第二时变调制电路；所述第一时变调制电路与所述第二谐振器单元的一端连接；所述第二时变调制电路与所述第三谐振器单元的另一端连接；所述第一时变调制电路用于接收第一低频调制信号；所述第二时变调制电路用于接收第二低频调制信号；所述第一馈电网络用于根据所述第一低频调制信号和所述第二低频调制信号产生第一相位差；
所述第二馈电网络的结构与所述第一馈电网络的结构相同，且对称设置在所述微带线馈线的两侧；所述第二馈电网络用于产生所述第二相位差。
可选地，当所述第一相位差和所述第二相位差同时为0时，所述发射方向图和所述接收方向图相同；
当所述第一相位差和所述第二相位差不同时为0或者均不为0时，所述发射方向图和所述接收方向图不相同。
可选地，所述第一时变调制电路和所述第二时变调制电路均包括电容、变容二极管和电感；
所述第一时变调制电路中的电容的一端与所述第二谐振器单元的一端连接；所述第二时变调制电路中的电容的一端与所述第三谐振器单元的另一端连接；
变容二极管的一端和电容的另一端均与电感的一端连接；电感的另一端与产生低频调制信号的信号源连接；变容二极管的另一端接地。
可选地，所述铜箔辐射体为两端有喇叭开口结构的长方形。
可选地，所述第一谐振器单元、所述第二谐振器单元、所述第三谐振器单元和所述第四谐振器单元等间距设置。
可选地，所述第二谐振器单元的长度和所述第三谐振器单元的长度相同；所述第一谐振器单元的长度和所述第四谐振器单元的长度相同；
所述第一谐振器单元的长度大于所述第二谐振器单元的长度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过向辐射方向图可重构的天线中馈入不同的低频调制信号，从而产生第一相位差和第二相位差，进而产生辐射方向图。由于不同的低频调制信号会产生不同的相位差，从而使产生的辐射方向图具有非互易性，实现辐射方向图的可重构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种非互易性辐射方向图可重构的天线水平放置的结构示意图；
图2为本发明提供的一种非互易性辐射方向图可重构的天线垂直放置的结构示意图；
图3为本发明非互易性辐射方向图可重构的天线的馈电网络示意图；
图4为本发明非互易性辐射方向图可重构的天线的辐射体示意图；
图5为本发明非互易性辐射方向图可重构的天线的多样化可重构辐射方向图；
图6为本发明非互易性辐射方向图可重构的天线的一个实施例回波损耗曲线图；
图7为本发明非互易性辐射方向图可重构的天线的一个实施例的一种发射方向图；
图8为本发明非互易性辐射方向图可重构的天线的一个实施例的一种接收方向图；
图9为本发明非互易性辐射方向图可重构的天线的一个实施例的另一种发射方向图；
图10为本发明非互易性辐射方向图可重构的天线的一个实施例的另一种接收方向图。
符号说明：1、铜箔辐射体；2、铜箔馈电网络；3、介质基板；101、喇叭开口结构；201、微带线馈线；202、第一微带线；203第二微带线；204、扇形匹配结构；205、第一谐振器单元；206、第二谐振器单元；207、第三谐振器单元；208、第四谐振器单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种非互易性辐射方向图可重构的天线，以解决现有技术中的互易性天线产生的辐射方向图固化的问题。
目前的传统天线的辐射方向图几乎均是互易性的，即发射方向图和接收方向图形状相同。然而，在一些通信场景下方向图非互易性天线将具有更大的优势，因为非互易性方向图中发射方向图和接收方向图不再相同，即发射和接收方向图是形状独立的两个不同方向图，在一些工程应用中有更大的灵活性。例如发射方向图和接收方向图非互易性天线可以用来实现同时同频全双工通信，频谱利用率翻倍。发射方向图和接收方向图非互易性天线也可以被用在点对点通信，前景广阔。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的一种非互易性辐射方向图可重构的天线水平放置的结构示意图。如图1所示，一种非互易性辐射方向图可重构的天线，包括：铜箔辐射体1、铜箔馈电网络2和介质基板3；所述铜箔辐射体1位于所述介质基板3的一面，所述铜箔馈电网络2位于所述介质基板3的另一面。在实际应用中，本发明的天线加工可由传统的PCB工艺实现。
在实际应用中，图2为将辐射方向图可重构的天线垂直放置的结构示意图，介质基板3未在图2中示出，图3为铜箔辐射体的结构示意图，铜箔辐射体1如图2和图3所示，本发明天线第一层的铜箔辐射体1的形状为两端开设有喇叭开口结构101的长方形，铜箔辐射体1为一种平面化的喇叭天线，铜箔辐射体1两端的喇叭开口结构101相同。铜箔辐射体1的长度l1约为7至8倍介质波长(对应于天线中心工作频率)，铜箔辐射体1的宽度l2约为2.3至2.7倍介质波长。喇叭开口结构101的宽度l3约为1.5至2倍介质波长，喇叭开口结构101的长度l4约为2.8至3.2倍介质波长，喇叭开口结构101的长度l5约为0.3至0.4倍介质波长。喇叭开口结构101的另一端圆形结构直径d1约为0.1至0.2倍介质波长。
所述铜箔馈电网络2用于接收不同的低频调制信号并产生第一相位差和第二相位差；所述铜箔辐射体1用于根据所述第一相位差和所述第二相位差产生辐射形成辐射方向图；所述辐射方向图包括接收方向图和发射方向图；所述辐射方向图为非互易性方向图。
进一步地，所述铜箔馈电网络2包括依次连接的第一馈电网络、微带线馈线201和第二馈电网络。
所述第一馈电网络包括依次连接的第一微带线202、第一谐振器单元205、第二谐振器单元206、第三谐振器单元207、第四谐振器单元208、第二微带线203和扇形匹配结构204；所述第一馈电网络还包括第一时变调制电路和第二时变调制电路；所述第一时变调制电路与所述第二谐振器单元206的一端连接；所述第二时变调制电路与所述第三谐振器单元207的另一端连接；所述第一时变调制电路用于接收第一低频调制信号；所述第二时变调制电路用于接收第二低频调制信号；所述第一馈电网络用于根据所述第一低频调制信号和所述第二低频调制信号产生第一相位差。
所述第二馈电网络的结构与所述第一馈电网络的结构相同，且对称设置在所述微带线馈线201的两侧；所述第二馈电网络用于产生所述第二相位差。
具体地，当所述第一相位差和所述第二相位差同时为0时，所述发射方向图和所述接收方向图相同；当所述第一相位差和所述第二相位差不同时为0或者均不为0时，所述发射方向图和所述接收方向图不相同。
在实际应用中，如图4所示，本发明天线第二层的铜箔馈电网络2由特性阻抗为50欧姆的微带线馈线201、特性阻抗为100欧姆的第一微带线202、特性阻抗为100欧姆的第二微带线203、扇形匹配结构204、第一谐振器单元205、第二谐振器单元206、第三谐振器单元207和第四谐振器单元208组成。并且天线第二层的铜箔馈电网络2的两侧结构相同且对称。
微带线馈线201的长度l9与第二微带线203的长度l6之和为二分之一l2，一般情况下可取
Figure BDA0003842106190000061
第一微带线202的长度l8约为0.3至0.4倍介质波长，第二微带线203的长度l7约为0.3至0.4倍介质波长。扇形匹配结构204的半径约为0.12至0.16倍介质波长、扇形匹配结构204的内角为90度。
第一谐振器单元205、第二谐振器单元206、第三谐振器单元207和第四谐振器单元208由特性阻抗为100欧姆的微带线等间距排列组成，间距空隙约为0.02至0.03倍介质波长。其中，第一谐振器单元205和第四谐振器单元208的长度相等，约为0.28至0.3倍介质波长，第二谐振器单元206和第三谐振器单元207的长度相等且短于第一谐振器单元205和第四谐振器单元208的长度，约为0.26至0.28倍介质波长。
进一步地，所述第一时变调制电路和所述第二时变调制电路均包括电容、变容二极管和电感。
所述第一时变调制电路中的电容的一端与所述第二谐振器单元的一端连接；所述第二时变调制电路中的电容的一端与所述第三谐振器单元的另一端连接。
变容二极管的一端和电容的另一端均与电感的一端连接；电感的另一端与产生低频调制信号的信号源连接；变容二极管的另一端接地。
电容的作用起到高频滤波器的作用，可以通过高频调制信号阻碍低频射频信号。电感的作用起到低通滤波器的作用，可以通过低频调制信号阻碍高频射频信号。变容二极管工作在反向偏置状态。
相位为
Figure BDA0003842106190000062
和
Figure BDA0003842106190000063
的四路低频调制信号(频率为fm)从时变调制电路(第一时变调制电路、第二时变调制电路和第二馈电网络的第三时变调制电路、第四时变调制电路)末端馈入，如图2所示，射频信号从微带线馈线201馈入天线。令相邻两低频调制信号的相位差
Figure BDA0003842106190000064
(第一相位差)和
Figure BDA0003842106190000065
(第二相位差)。此时，存在两种情况，(ⅰ)当
Figure BDA0003842106190000066
和
Figure BDA0003842106190000067
时，本发明天线的发射方向图和接收方向图是互易性的，发射方向图和接收方向图相同，为两波束端射方向图。(ⅱ)当
Figure BDA0003842106190000068
和
Figure BDA0003842106190000069
不同时等于零时，本发明天线的发射方向图和接收方向图是非互易性的，发射方向图和接收方向图不相同，且一般情况下
Figure BDA0003842106190000071
的取值范围为±40,90度，同样的
Figure BDA0003842106190000072
的取值范围也为±40,90度。
控制四路低频调制信号的相位关系
Figure BDA0003842106190000073
和
Figure BDA0003842106190000074
可以实现发射方向图和接收方向图的非互易性和可重构性。四路低频调制信号的相位关系
Figure BDA0003842106190000075
和
Figure BDA0003842106190000076
影响发射和接收方向图形状，如图5所示，而与低频调制信号相位的绝对值
Figure BDA0003842106190000077
Figure BDA0003842106190000078
和
Figure BDA0003842106190000079
无关。
本发明的天线工作频率适用范围为1GHz至8GHz，即包括L波段、S波段和C波段。
独立控制四路低频调制信号的相位关系
Figure BDA00038421061900000710
和
Figure BDA00038421061900000711
可以实现天线发射方向图和接收方向图的非互易性和可重构性。多样性的辐射方向图包括一种互易性的发射和接收方向图、八种非互易性的发射和接收方向图，如图5所示。
在本实施例中，所设计和测试验证的天线的介质基板3使用旺灵WL-CT338材料，介电常数为3.38，损耗角正切为0.0029，厚度为0.813毫米，顶面和底面的铜箔厚度均为0.05mm。天线中心工作频率设计为4GHz，对应介质波长为40.8mm。时变调制电路内变容二极管采用SkyworksSMV1234型号，电感采用20nH贴片电感、电容采用5pF贴片电容。试验测试中，时变调制电路所加载的直流偏置电压为3V，低频时变调制信号频率fm＝700MHz，调制系数0.3，调制信号幅度0.9V。
本实施例的天线尺寸为：l1＝320mm、l2＝100mm、l3＝70mm、l4＝125mm、l5＝15mm、d1＝6mm、l6＝50mm、l7＝12.5mm、l8＝12.5mm、l9＝50mm、两侧长谐振器单元(第一谐振器单元205和第四谐振器单元208)长度为12mm，中间两短谐振器单元(第二谐振器单元206和第三谐振器单元207)长度为11mm，谐振器单元间间隙为0.8mm、扇形匹配结构204半径为5.7mm、第一微带线202和第二微带线203的宽度为0.4mm和微带线馈线201的宽度为1.8mm。
图6为实施例天线的回波损耗曲线图，从图6可知，天线在频率带宽3.7GHz至4.5GHz内，回波损耗值小于-10dB，天线匹配良好并呈现出滤波特性。
当四路低频调制信号的相位依次为：
Figure BDA0003842106190000081
度、
Figure BDA0003842106190000082
度、
Figure BDA0003842106190000083
度、
Figure BDA0003842106190000084
度，即
Figure BDA0003842106190000085
度、
Figure BDA0003842106190000086
度。天线在4GHz的发射方向图如图7所示，其为两波束端射方向图，与图5中的情形②
Figure BDA0003842106190000087
和
Figure BDA0003842106190000088
条件下的发射方向图形状一致。而天线在此调制信号相位条件下(
Figure BDA0003842106190000089
度、
Figure BDA00038421061900000810
度)在4GHz的接收方向图如图8所示，其为单波束端射方向图，波束指向水平角90度，与图5中的情形②
Figure BDA00038421061900000811
和
Figure BDA00038421061900000812
条件下的接收方向图形状一致。可见，天线发射方向图与接收方向图形状不同，实现了非互易性的天线发射方向图和接收方向图。
当四路低频调制信号的相位依次为：
Figure BDA00038421061900000813
度、
Figure BDA00038421061900000814
度、
Figure BDA00038421061900000815
度、
Figure BDA00038421061900000816
度，即
Figure BDA00038421061900000817
度、
Figure BDA00038421061900000818
度。天线在4GHz的发射方向图如图9所示，其为单波束端射方向图，波束指向水平角90度，与图5中的情形⑥
Figure BDA00038421061900000819
和
Figure BDA00038421061900000820
条件下的发射方向图形状一致。而天线在此调制信号相位条件下(
Figure BDA00038421061900000821
度、
Figure BDA00038421061900000822
度)，在4GHz的接收方向图如图10所示，其为单波束端射方向图，波束指向水平角-90度，与图5中的情形⑥
Figure BDA00038421061900000823
和
Figure BDA00038421061900000824
条件下的接收方向图形状一致。可见，通过控制相位关系
Figure BDA00038421061900000825
和
Figure BDA00038421061900000826
天线展现出不同的天线发射方向图和接收方向图形状，即非互易性方向图，实现了天线方向图可重构。
本发明采用加载低频调制信号的技术路径来实现发射方向图和接收方向图非互易性，并且控制所加载的低频调制信号的相位关系可以实现发射和接收方向图的可重构特性，从而发明实现一种发射和接收方向图非互易且可重构的天线。所发明的天线可以被用于同时同频全双工通信和点对点通信等领域。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种非互易性辐射方向图可重构的天线，其特征在于，包括：铜箔辐射体、铜箔馈电网络和介质基板；所述铜箔辐射体位于所述介质基板一面，所述铜箔馈电网络位于所述介质基板另一面；
所述铜箔馈电网络用于接收不同的低频调制信号并产生第一相位差和第二相位差；所述铜箔辐射体用于根据所述第一相位差和所述第二相位差产生辐射形成辐射方向图；所述辐射方向图包括接收方向图和发射方向图；所述辐射方向图为非互易性方向图。
2.根据权利要求1所述的非互易性辐射方向图可重构的天线，其特征在于，所述铜箔馈电网络包括依次连接的第一馈电网络、微带线馈线和第二馈电网络；
所述第一馈电网络包括依次连接的第一微带线、第一谐振器单元、第二谐振器单元、第三谐振器单元、第四谐振器单元、第二微带线和扇形匹配结构；所述第一馈电网络还包括第一时变调制电路和第二时变调制电路；所述第一时变调制电路与所述第二谐振器单元的一端连接；所述第二时变调制电路与所述第三谐振器单元的另一端连接；所述第一时变调制电路用于接收第一低频调制信号；所述第二时变调制电路用于接收第二低频调制信号；所述第一馈电网络用于根据所述第一低频调制信号和所述第二低频调制信号产生第一相位差；
所述第二馈电网络的结构与所述第一馈电网络的结构相同，且对称设置在所述微带线馈线的两端；所述第二馈电网络用于产生所述第二相位差。
3.根据权利要求2所述的非互易性辐射方向图可重构的天线，其特征在于，当所述第一相位差和所述第二相位差同时为0时，所述发射方向图和所述接收方向图相同；
当所述第一相位差和所述第二相位差不同时为0或者均不为0时，所述发射方向图和所述接收方向图不相同。
4.根据权利要求2所述的非互易性辐射方向图可重构的天线，其特征在于，所述第一时变调制电路和所述第二时变调制电路均包括电容、变容二极管和电感；
所述第一时变调制电路中的电容的一端与所述第二谐振器单元的一端连接；所述第二时变调制电路中的电容的一端与所述第三谐振器单元的另一端连接；
变容二极管的一端和电容的另一端均与电感的一端连接；电感的另一端与产生低频调制信号的信号源连接；变容二极管的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的辐射方向图可重构的天线，其特征在于，所述铜箔辐射体为两端有喇叭开口结构的长方形。
6.根据权利要求2所述的非互易性辐射方向图可重构的天线，其特征在于，所述第一谐振器单元、所述第二谐振器单元、所述第三谐振器单元和所述第四谐振器单元等间距设置。
7.根据权利要求2所述的非互易性辐射方向图可重构的天线，其特征在于，所述第二谐振器单元的长度和所述第三谐振器单元的长度相同；所述第一谐振器单元的长度和所述第四谐振器单元的长度相同；
所述第一谐振器单元的长度大于所述第二谐振器单元的长度。
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