CN115458944B - 一种小型化可重构圆极化高增益环形天线 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种基于慢波传输线的小型化可重构圆极化高增益环形天线，包括介质基板、圆环开槽贴片单元、偏置电路、同轴馈电结构以及金属地板，圆环开槽贴片单元包括圆环开槽贴片组件、周期性慢波组件，圆环开槽贴片组件包括圆环贴片以及圆环上的扇形通槽，周期性慢波组件包括沿圆环贴片圆心轴线等角度阵列设置的若干扇环贴片，扇环贴片的外侧壁与圆环贴片内侧壁连接，位于坐标系+Y轴方向两侧的扇环贴片中部分别加载有第一、第二PIN管；本申请通过圆环贴片与周期排列的扇环贴片组合形成慢波传输线，在不破坏天线原有模式的情况下实现了天线的小型化，并通过方向相反的第一、第二PIN管实现了天线的极化可重构，大大提升了频谱资源利用率。

Description

一种小型化可重构圆极化高增益环形天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体为一种基于慢波传输线的小型化可重构圆极化高增益环形天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，无线通信设备内部的器件集成度越来越高，留给天线的设计空间越来越少，而天线作为无线通信设备中必不可少的一部分，其性能好坏直接影响整个通信系统的通信质量；因此在保证天线性能的情况下，如何缩减天线尺寸成为了当前天线领域的研究热点。此外，生活中无线设备的快速增长导致电磁通信环境日益复杂，无线电信号的多径衰落效应严重影响无线通信系统的性能，频谱资源也变得愈发紧张。而由于极化可重构天线能够应对多径效应，并且提升频谱资源利用率，很好的缓解了上述问题。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于慢波传输线的小型化可重构圆极化高增益环形天线。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括介质基板、圆环开槽贴片单元、偏置电路、同轴馈电结构以及金属地板；
所述圆环开槽贴片单元设置在所述介质基板上表面，所述金属地板位于所述介质基板下方，且所述金属地板与介质基板通过空气层间隔开；
所述偏置电路的一端与圆环开槽贴片单元连接，所述偏置电路的另一端通过铜柱与金属地板连接；
所述同轴馈电结构的内导体与所述圆环开槽贴片单元连接，所述同轴馈电结构的外导体与所述金属地板连接。
进一步，所述圆环开槽贴片单元包括圆环开槽贴片组件、周期性慢波组件、圆形焊盘；
所述圆环开槽贴片组件包括圆环贴片，以圆环贴片上表面的圆心为坐标原点，以圆环贴片的厚度方向为Z轴，构建坐标系，所述圆环贴片上开设有沿坐标系-Y轴方向的扇形通槽，所述圆形焊盘与所述圆环贴片圆心轴线重合；
所述周期性慢波组件包括沿所述圆环贴片圆心轴线等角度阵列设置的若干扇环贴片，所述扇环贴片的外侧壁与所述圆环贴片内侧壁连接，所述扇环贴片的顶点均位于一个半径为m1的圆上；
所述圆环开槽贴片单元关于所述坐标系Y轴对称，位于坐标系+Y轴方向两侧的扇环贴片中部均开设有弧形加载槽，两个弧形加载槽内分别加载有用于控制天线的极化状态第一PIN管、第二PIN管；
位于坐标系+Y轴方向两侧的扇环贴片的内侧均通过连接支节与圆形焊盘连接；
所述同轴馈电结构的内导体与所述扇环贴片连接，其连接点为馈电点。
进一步，所述第一PIN管导通且第二PIN管截止时，天线极化方式为左旋极化；
所述第一PIN管截止且第二PIN管导通时，天线极化方式为右旋极化。
进一步，所述偏置电路由高阻抗微带线弯曲折叠构成，所述偏置电路的一端沿Y轴方向与圆环贴片的外侧壁连接。
进一步，所述介质基板为圆形介质基板，所述介质基板的圆心轴线与圆环贴片的圆心轴线重合。
进一步，所述介质基板材料为Rogers RO4003，相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027；
所述介质基板的半径R3为30mm，所述介质基板的厚度H1为1.524mm；
所述金属地板的半径R4为140mm，所述金属地板的厚度H3为1mm，所述金属地板的材质为铜；
所述介质基板与金属地板之间空气层的高度H2为12～13mm；
所述铜柱的直径为0.5mm。
进一步，所述圆环贴片的内半径R1为22～23mm，圆环贴片的外半径R2为23.5～24.5mm；
所述扇形通槽的角度θ1为0.5°，所述扇环贴片的内侧壁与圆环贴片圆心轴线间的距离R6为2.6mm，所述扇环贴片的顶点与所述圆环贴片圆心轴线间的距离m1为0.5mm，所述扇环贴片的角度θ2为14.5，相邻扇环贴片之间的间隔角度为0.5°；
所述弧形加载槽的内半径R7为4～5mm，所述弧形加载槽的环形宽度L2为0.8～1.2mm；
所述圆形焊盘的半径R5为1.8mm；
所述偏置电路的高阻抗微带线宽度为0.1mm，所述偏置电路折叠后的沿X轴方向的长度L1为20mm。
进一步，所述介质基板与金属地板之间空气层的高度H2为12.1mm；
所述圆环贴片的内半径R1为22.3mm，圆环贴片的外半径R2为24mm；
所述弧形加载槽的内半径R7为4.5mm，所述弧形加载槽的环形宽度L2为1.14mm。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1、本申请通过对传统圆环天线加载槽，使得天线产生了一对相互正交的容性模(圆环自带)与感性模(弧形加载槽所产生)，并且同轴馈电结构通过焊盘与扇环贴片相连接，使得天线实现良好的圆极化辐射性能，能够应对多径效应。
2、本申请通过在沿Y轴处两扇环单元加载槽并放置方向相反的第一PIN管、第二PIN管，以此来控制天线的极化状态，实现了天线的极化可重构，大大提升了频谱资源利用率。
3、本申请通过圆环贴片与周期排列的扇环贴片组合形成慢波传输线，在不破坏天线原有模式的情况下实现了天线的小型化，具有明显的尺寸缩减，能够应用于更广泛的天线通讯设备。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为本发明天线的结构示意图。
图2为本发明天线的正视图。
图3为本发明天线的俯视图。
图4为本发明图3中A处的局部放大图。
图5为本发明天线的尺寸标注图。
图6为本发明图5中B处的局部放大图。
图7为本发明实施例中天线的各端口反射系数|S11|仿真曲线与轴比曲线。
图8为本发明实施例中天线的可实现增益曲线示意图。
图9为本发明实施例中天线在1.704GHz频点的右旋圆极化辐射方向图。
图中：1-介质基板；2-圆环开槽贴片单元；3-偏置电路；4-同轴馈电结构；5-金属地板；6-铜柱；201-圆环贴片；202-扇形通槽；203-扇环贴片；204-弧形加载槽；205-第一PIN管；206-第二PIN管；207-连接支节；208-圆形焊盘。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
如图1-图6所示的一种基于慢波传输线的小型化可重构圆极化高增益环形天线，其特征在于，包括介质基板1、圆环开槽贴片单元2、偏置电路3、同轴馈电结构4以及金属地板5；
所述圆环开槽贴片单元2设置在所述介质基板1上表面，所述金属地板5位于所述介质基板1下方，且所述金属地板5与介质基板1通过空气层间隔开；
所述偏置电路3的一端与圆环开槽贴片单元2连接，所述偏置电路3的另一端通过铜柱6与金属地板5连接；
所述同轴馈电结构4的内导体与所述圆环开槽贴片单元2连接，所述同轴馈电结构4的外导体与所述金属地板5连接。
作为本发明的一种实施例，所述圆环开槽贴片单元2包括圆环开槽贴片组件、周期性慢波组件、圆形焊盘208；
所述圆环开槽贴片组件包括圆环贴片201，以圆环贴片201上表面的圆心为坐标原点，以圆环贴片201的厚度方向为Z轴，构建坐标系，所述圆环贴片201上开设有沿坐标系-Y轴方向的扇形通槽202，所述圆形焊盘208与所述圆环贴片201圆心轴线重合；
所述周期性慢波组件包括沿所述圆环贴片201圆心轴线等角度阵列设置的若干扇环贴片203，所述扇环贴片203的外侧壁与所述圆环贴片201内侧壁连接，所述扇环贴片203的顶点均位于一个半径为m1的圆上；
所述圆环开槽贴片单元2关于所述坐标系Y轴对称，位于坐标系+Y轴方向两侧的扇环贴片203中部均开设有弧形加载槽204，两个弧形加载槽204内分别加载有用于控制天线的极化状态第一PIN管205、第二PIN管206；
位于坐标系+Y轴方向两侧的扇环贴片203的内侧均通过连接支节207与圆形焊盘208连接；
所述同轴馈电结构4的内导体与所述扇环贴片203连接，其连接点为馈电点。
在本发明实施例中，所述扇环贴片203的数量为24，圆环贴片201由于-y轴上扇形通槽202的加载产生容性模，与圆环贴片201自带的感性模相互正交；所述馈电点位于圆形焊盘208正中心，当圆形焊盘208与位于坐标系+Y轴方向两侧的扇环贴片203分别独立相连时，会对圆环贴片201上的电流产生微扰，能分别实现天线的左旋极化与右旋极化，通过在位于坐标系+Y轴方向两侧的扇环贴片203上分别加载第一PIN管205、第二PIN管206后，通过控制PIN管状态，能够实现天线的圆极化可重构。
作为本发明的一种实施例，所述第一PIN管205导通且第二PIN管206截止时，天线极化方式为左旋极化；
所述第一PIN管205截止且第二PIN管206导通时，天线极化方式为右旋极化。
在本发明实施例中，所述第一PIN管205与第二PIN管206的方向相反。
作为本发明的一种实施例，所述偏置电路3由高阻抗微带线弯曲折叠构成，所述偏置电路3的一端沿Y轴方向与圆环贴片201的外侧壁连接。
作为本发明的一种实施例，所述介质基板1为圆形介质基板，所述介质基板1的圆心轴线与圆环贴片201的圆心轴线重合。
作为本发明的一种实施例，所述介质基板1材料为Rogers RO4003，相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027；
所述介质基板1的半径R3为30mm，所述介质基板1的厚度H1为1.524mm；
所述金属地板5的半径R4为140mm，所述金属地板5的厚度H3为1mm，所述金属地板5的材质为铜；
所述介质基板1与金属地板5之间空气层的高度H2为12～13mm；
所述铜柱6的直径为0.5mm。
作为本发明的一种实施例，设置所述圆环贴片201的内半径R1为22～23mm，圆环贴片201的外半径R2为23.5～24.5mm；
所述扇形通槽202的角度θ1为0.5°，所述扇环贴片203的内侧壁与圆环贴片201圆心轴线间的距离R6为2.6mm，所述扇环贴片203的顶点与所述圆环贴片201圆心轴线间的距离m1为0.5mm，所述扇环贴片203的角度θ2为14.5，相邻扇环贴片203之间的间隔角度为0.5°；
所述弧形加载槽204的内半径R7为4～5mm，所述弧形加载槽204的环形宽度L2为0.8～1.2mm；
所述圆形焊盘208的半径R5为1.8mm；
所述偏置电路3的高阻抗微带线宽度为0.1mm，长度约为λ/2(λ为自由空间波长)，所述偏置电路3折叠后的沿X轴方向的长度L1为20mm。
完成上述的初始设计后，使用高频电磁仿真软件HFSS进行仿真分析，经过仿真优化之后的各参数最佳尺寸如表1所示。
表1本发明各参数最佳尺寸表
依照上述参数，使用HFSS对所设计的双频天线阵列的反射系数特性参数进行仿真分析和测试，其分析结果如下：
图7为本发明小型化圆极化可重构天线的各端口反射系数|S11|仿真曲线与轴比曲线。仿真结果表示天线的阻抗带宽为1.670-1.743GHz，其轴比带宽为1.697-1.711GHz，与阻抗带宽的重叠范围为1.697-1.711GHz。
图8为本发明小型化圆极化可重构天线的可实现增益特性曲线，仿真结果显示在轴比带宽内，可实现增益最大值为8.09dBi；在阻抗带宽内，可实现增益最大值为8.16dBi。
图9为本发明小型化圆极化可重构天线以右旋极化(RHCP)为例，在1.704GHz处的方向图特性，测试结果表明天线在电场面方向上表现出良好的边射辐射特性，以及圆极化特性。
本申请的半圆形小型化圆极化天线的尺寸仅为圆环开槽天线尺寸的一半，且具有更好的辐射性能。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型化可重构圆极化高增益环形天线，其特征在于，包括介质基板(1)、圆环开槽贴片单元(2)、偏置电路(3)、同轴馈电结构(4)以及金属地板(5)；
所述圆环开槽贴片单元(2)设置在所述介质基板(1)上表面，所述金属地板(5)位于所述介质基板(1)下方，且所述金属地板(5)与介质基板(1)通过空气层间隔开；
所述偏置电路(3)的一端与圆环开槽贴片单元(2)连接，所述偏置电路(3)的另一端通过铜柱(6)与金属地板(5)连接；
所述同轴馈电结构(4)的内导体与所述圆环开槽贴片单元(2)连接，所述同轴馈电结构(4)的外导体与所述金属地板(5)连接；
所述圆环开槽贴片单元(2)包括圆环开槽贴片组件、周期性慢波组件、圆形焊盘(208)；
所述圆环开槽贴片组件包括圆环贴片(201)，以圆环贴片(201)上表面的圆心为坐标原点，以圆环贴片(201)的厚度方向为Z轴，构建坐标系，所述圆环贴片(201)上开设有沿坐标系-Y轴方向的扇形通槽(202)，所述圆形焊盘(208)与所述圆环贴片(201)圆心轴线重合；
所述周期性慢波组件包括沿所述圆环贴片(201)圆心轴线等角度阵列设置的若干扇环贴片(203)，所述扇环贴片(203)的外侧壁与所述圆环贴片(201)内侧壁连接，所述扇环贴片(203)的顶点均位于一个半径为m1的圆上；
所述圆环开槽贴片单元(2)关于所述坐标系Y轴对称，位于坐标系+Y轴方向两侧的扇环贴片(203)中部均开设有弧形加载槽(204)，两个弧形加载槽(204)内分别加载有用于控制天线的极化状态第一PIN管(205)、第二PIN管(206)；
位于坐标系+Y轴方向两侧的扇环贴片(203)的内侧均通过连接支节(207)与圆形焊盘(208)连接；
所述同轴馈电结构(4)的内导体与所述扇环贴片(203)连接，其连接点为馈电点。
2.如权利要求1所述的一种小型化可重构圆极化高增益环形天线，其特征在于，所述第一PIN管(205)导通且第二PIN管(206)截止时，天线极化方式为左旋极化；
所述第一PIN管(205)截止且第二PIN管(206)导通时，天线极化方式为右旋极化。
3.如权利要求1所述的一种小型化可重构圆极化高增益环形天线，其特征在于，所述偏置电路(3)由高阻抗微带线弯曲折叠构成，所述偏置电路(3)的一端沿Y轴方向与圆环贴片(201)的外侧壁连接。
4.如权利要求1所述的一种小型化可重构圆极化高增益环形天线，其特征在于，所述介质基板(1)为圆形介质基板，所述介质基板(1)的圆心轴线与圆环贴片(201)的圆心轴线重合。
5.如权利要求4所述的一种小型化可重构圆极化高增益环形天线，其特征在于，所述介质基板(1)材料为Rogers RO4003，相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027；
所述介质基板(1)的半径R3为30mm，所述介质基板(1)的厚度H1为1.524mm；
所述金属地板(5)的半径R4为140mm，所述金属地板(5)的厚度H3为1mm，所述金属地板(5)的材质为铜；
所述介质基板(1)与金属地板(5)之间空气层的高度H2为12～13mm；
所述铜柱(6)的直径为0.5mm。
6.如权利要求3所述的一种小型化可重构圆极化高增益环形天线，其特征在于，所述圆环贴片(201)的内半径R1为22～23mm，圆环贴片(201)的外半径R2为23.5～24.5mm；
所述扇形通槽(202)的角度θ1为0.5°，所述扇环贴片(203)的内侧壁与圆环贴片(201)圆心轴线间的距离R6为2.6mm，所述扇环贴片(203)的顶点与所述圆环贴片(201)圆心轴线间的距离m1为0.5mm，所述扇环贴片(203)的角度θ2为14.5，相邻扇环贴片(203)之间的间隔角度为0.5°；
所述弧形加载槽(204)的内半径R7为4～5mm，所述弧形加载槽(204)的环形宽度L2为0.8～1.2mm；
所述圆形焊盘(208)的半径R5为1.8mm；
所述偏置电路(3)的高阻抗微带线宽度为0.1mm，所述偏置电路(3)折叠后的沿X轴方向的长度L1为20mm。
7.如权利要求5或6所述的一种小型化可重构圆极化高增益环形天线，其特征在于，所述介质基板(1)与金属地板(5)之间空气层的高度H2为12.1mm；
所述圆环贴片(201)的内半径R1为22.3mm，圆环贴片(201)的外半径R2为24mm；
所述弧形加载槽(204)的内半径R7为4.5mm，所述弧形加载槽(204)的环形宽度L2为1.14mm。
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