CN115642401A - 一种方向图可重构介质谐振天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方向图可重构介质谐振天线，涉及天线技术领域。该天线包括介质基板，其上表面设置一金属层；介质谐振器，其设置于所述介质基板的金属层上表面；第一激励结构，其设置于所述介质基板的下表面，且与所述介质谐振器构成等效电流元辐射体；第二激励结构，其设置于所述介质谐振器的外围，构成等效电磁元辐射体，且与所述等效电流元辐射体形成可控互补辐射体对以产生可重构方向图辐射响应。本发明基于互补原理，能够由等效电流元辐射体和等效磁流元辐射体组成不同的定向辐射体对结构，以产生不同的定向辐射方向图，从而提高天线的方向图状态多样性。

Description

一种方向图可重构介质谐振天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种方向图可重构介质谐振天线。

背景技术

现在的生活方式对无线通信系统的要求越来越高，需要通信系统朝着通信容量变大、通信带宽扩宽、通信系统具有多功能等目标发展，为了满足这些需求需要在同一个通信系统平台上安装更多的天线，天线数量的增多会导致系统成本升高、体积变大和质量的增加，同时使系统面临着信号串扰、信号失真等棘手的电磁兼容问题（EMC），使得整个通信系统的通信质量下降。

可重构天线可以根据环境的需求动态的改变天线的工作模式，以此来满足无线通信系统的需求，如改变天线的工作频段、极化方式或者天线的辐射方向等，有效的解决了同一通信系统中搭载多个天线的问题，实现低成本、体积小、质量轻以及有效的减小天线之间的电磁兼容问题。实现可重构天线是在天线上加载可调控器件，如微波开关（PIN二极管、MEMS开关、MESFET开关）、可变电容、液态金属材料或者石墨烯，通过控制可调控器件改变辐射体表面的电流分布达到可重构的目的。

可重构天线从工作模式上划分可以分为频率可重构，即工作频段的变化；极化可重构，即天线极化方式的改变；方向图可重构，即天线辐射方向的改变；以及多功能可重构天线，即工作频率变化、极化方式改变或者辐射方向改变中两种或者两种以上的组合。在保证天线的极化方式和天线工作频段相同的情况下，可以根据外部环境需求动态地改变天线辐射方向图，此种天线被叫做方向图可重构天线，方向图可重构天线可以更好的满足通信系统对容量和安全性的要求。

目前现有的方向图可重构天线设计都存在着工作带宽较窄、使用PIN二极管数量较多，天线结构复杂和方向图状态多样性不足等问题。

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

为解决上述现有技术问题，本发明提供了一种方向图可重构介质谐振天线。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种方向图可重构介质谐振天线，包括：

介质基板，其上表面设置一金属层；

介质谐振器，其设置于所述介质基板的金属层上表面；

第一激励结构，其设置于所述介质基板的下表面，且与所述介质谐振器构成等效电流元辐射体；

第二激励结构，其设置于所述介质谐振器的外围，构成等效电磁元辐射体，且与所述等效电流元辐射体形成可控互补辐射体对以产生可重构方向图辐射响应。

可选择地，所述第一激励结构包括：

设置于所述介质基板的下表面的微带线馈电单元，以及刻蚀于所述金属层与所述微带线馈电单元匹配的馈电缝隙单元。

可选择地，所述微带线馈电单元包括：

设置于所述介质基板的下表面相对所述介质谐振器的中心对应位置的圆形馈电微带贴片，以及从所述圆形馈电微带贴片引出沿所述介质谐振器的对角线方向延伸的第一馈电微带线、第二馈电微带线、第三馈电微带线和第四馈电微带线。

可选择地，所述介质基板相对所述介质谐振器的中心对应位置设置馈电同轴线，所述馈电同轴线的外芯与所述圆形馈电微带贴片相连，所述馈电同轴线的内芯与所述金属层相连。

可选择地，所述馈电缝隙单元包括：

设置于所述介质谐振器的四个内角对应位置的第一折叠型馈电缝隙、第二折叠型馈电缝隙、第三折叠型馈电缝隙和第四折叠型馈电缝隙。

可选择地，所述第一折叠型馈电缝隙、第二折叠型馈电缝隙、第三折叠型馈电缝隙和第四折叠型馈电缝隙的结构相同，均包括第一馈电缝隙和第二馈电缝隙；

所述第一馈电缝隙和第二馈电缝隙分别与所述介质谐振器的对应内角两边平行且在相交处联通。

可选择地，所述第二激励结构包括：

刻蚀于所述金属层且分别与所述介质谐振器的四边平行的第一可重构缝隙单元、第二可重构缝隙单元、第三可重构缝隙单元和第四可重构缝隙单元。

可选择地，所述第一可重构缝隙单元、第二可重构缝隙单元、第三可重构缝隙单元和第四可重构缝隙单元的结构相同，均包括可重构H形缝隙和加载在所述可重构H形缝隙中的可调控器件。

可选择地，所述可重构H形缝隙包括：

第一缝隙以及设置于所述第一缝隙两端的第二缝隙和第三缝隙；所述第二缝隙和第三缝隙均为凹形结构，且凹形结构的开口处与所述第一缝隙两端联通。

可选择地，还包括：

反射板，其通过支撑柱与所述介质基板的下表面固定连接。

本发明的有益效果体现在：

本发明采用在金属地板上设置介质谐振器的方式，利用馈电微带线和四个折叠型馈电缝隙构成的第一激励结构对介质谐振器进行激励，基于镜像原理将激励起的介质谐振器等效为沿z轴的等效电流元；并且在介质谐振器外围设置由四个可重构H形缝隙和可调控器件构成的第二激励结构，将某一时刻激励起的一个或多个可重构H形缝隙等效为沿其摆放方向的等效磁流元；从而可以基于互补原理，由等效电流元辐射体和等效磁流元辐射体组成不同的定向辐射体对结构，以产生不同的定向辐射方向图，提高天线的方向图状态多样性。

附图说明

图1为本发明所提供的一种方向图可重构介质谐振天线的三维结构图；

图2为本发明所提供的一种方向图可重构介质谐振天线的俯视结构图；

图3为本发明所提供的一种方向图可重构介质谐振天线的侧视结构图；

图4为本发明所提供的介质基板的俯视结构图；

图5为本发明所提供的一种方向图可重构介质谐振天线的S11曲线图；

图6为本发明所提供的一种方向图可重构介质谐振天线的增益曲线图；

图7为本发明所提供的一种方向图可重构介质谐振天线在θ=30°平面状态为1、3、5和7的归一化方向图；

图8为本发明所提供的一种方向图可重构介质谐振天线在θ=30°平面状态为2、4、6和8的归一化方向图。

附图标记：1-介质基板，2-金属层，3-介质谐振器，4-圆形馈电微带贴片，5-第一馈电微带线，6-第二馈电微带线，7-第三馈电微带线，8-第四馈电微带线，9-馈电同轴线，10-第一折叠型馈电缝隙，11-第二折叠型馈电缝隙，12-第三折叠型馈电缝隙，13-第四折叠型馈电缝隙，14-第一可重构缝隙单元，15-第二可重构缝隙单元，16-第三可重构缝隙单元，17-第四可重构缝隙单元，18-反射板。

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。

参照图1-图4，本实施例提供了一种方向图可重构介质谐振天线，包括：

介质基板1，其上表面设置一金属层2；

介质谐振器3，其设置于所述介质基板1的金属层2上表面；

第一激励结构，其设置于所述介质基板1的下表面，且与所述介质谐振器3构成等效电流元辐射体；

第二激励结构，其设置于所述介质谐振器3的外围，构成等效电磁元辐射体，且与所述等效电流元辐射体形成可控互补辐射体对以产生可重构方向图辐射响应。

本实施例在介质基板1的上表面印刷一金属层2形成金属地板，并利用第一激励结构对金属地板上的介质谐振器3进行激励，根据介质谐振器3的介电常数比较大的特性，可以实现天线的低剖面，同时由金属地板带来的镜像原理，可以将介电谐振器3等效为沿z轴的电流元，从而形成等效电流元辐射体，解决了现有技术中低剖面天线结构复杂的问题，使得本实施例的天线结构具有小尺寸、结构紧凑等优点，有利于在小尺寸需求的场景应用。

为了解决现有技术中方向图状态多样性不足的问题，本实施例在介质谐振器3的外围设置第二激励结构，利用第二激励结构实现可控的激励状态，可以等效为沿着其摆放方向的磁流元，从而形成不同方向的等效磁流元辐射体。

本实施例基于互补原理，由等效电流元辐射体和等效磁流元辐射体组成一种新的定向辐射体对结构；由于第二激励结构能够形成不同方向的等效磁流元辐射体，因此可以组成不同的互补辐射对，从而产生不同的辐射方向图，提高天线的方向图状态多样性。

在本发明的一个可选实施例中，第一激励结构包括：

设置于所述介质基板1的下表面的微带线馈电单元，以及刻蚀于所述金属层2与所述微带线馈电单元匹配的馈电缝隙单元。

其中微带线馈电单元具体包括：

设置于所述介质基板1的下表面相对所述介质谐振器的中心对应位置的圆形馈电微带贴片4，以及从所述圆形馈电微带贴片4引出沿所述介质谐振器3的对角线方向延伸的第一馈电微带线5、第二馈电微带线6、第三馈电微带线7和第四馈电微带线8。

其中馈电缝隙单元具体包括：

设置于所述介质谐振器3的四个内角对应位置的第一折叠型馈电缝隙10、第二折叠型馈电缝隙11、第三折叠型馈电缝隙12和第四折叠型馈电缝隙13；

所述第一折叠型馈电缝隙10、第二折叠型馈电缝隙11、第三折叠型馈电缝隙12和第四折叠型馈电缝隙13的结构相同，均包括第一馈电缝隙和第二馈电缝隙；

所述第一馈电缝隙和第二馈电缝隙分别与所述介质谐振器3的对应内角两边平行且在相交处联通。

为了进一步解决现有技术中低剖面结构的辐射体结构复杂的问题，本实施例直接在介质基板1的下表面印刷微带线馈电单元，并且在介质基板1的上表面的金属地板刻蚀馈电缝隙单元，将微带线馈电单元传输的馈电信号通过馈电缝隙单元对金属地板上的介质谐振器3进行激励，能够在实现辐射体低剖面的同时简化辐射体结构。

本实施例以介质谐振器3的中心作为天线中心，即介质谐振器3的中心与介质基板1的中心位于相对位置；进而在介质基板1的下表面的中心位置印刷圆形馈电微带贴片4，并由圆形馈电微带贴片4引出沿介质谐振器3的对角线方向延伸的四条馈电微带线，即第一馈电微带线5、第二馈电微带线6、第三馈电微带线7和第四馈电微带线8，相邻馈电微带线之间的夹角为90°；四条馈电微带线的延伸长度可以大于介质谐振器3的一半对角线长度，也可以小于介质谐振器3的一半对角线长度，也可以等于介质谐振器3的一半对角线长度，总的来说其远短于天线工作频率的谐振长度，从而使得馈电微带线不会对天线辐射性能产生影响。

本实施例分别在介质谐振器3的四个内角对应位置的金属地板上刻蚀四个折叠型馈电缝隙，即第一折叠型馈电缝隙10、第二折叠型馈电缝隙11、第三折叠型馈电缝隙12和第四折叠型馈电缝隙13；这些折叠型馈电缝隙的刻蚀位置需要与对应馈电微带线相交，即馈电微带线的延伸长度应当大于介质基板1中心到馈电微带线相交处的长度，以实现馈电微带线传输的馈电信号能够通过馈电缝隙单元对金属地板上的介质谐振器3进行激励。

本实施例通过圆形馈电微带贴片4延伸出四条馈电微带线，能够实现同向馈电信号同时馈入四个折叠型馈电缝隙，并且四个折叠型馈电缝隙分别沿90°顺序旋转刻蚀，从而可以激励起介质谐振器的有效谐振模式，进而使得激励起的介质谐振器3可以等效为一个沿z轴的电流元。

在本发明的一个可选实施例中，所述介质基板1相对所述介质谐振器3的中心对应位置设置馈电同轴线9，所述馈电同轴9线的外芯与所述圆形馈电微带贴片4相连，所述馈电同轴线9的内芯与所述介质基板1的金属层2相连。

为了解决现有技术中馈电结构复杂的问题，本实施例采用中心同轴馈电方式，在介质基板1的中心位置设置馈电同轴线9，将馈电同轴线9的外芯与圆形馈电微带贴片4相连，馈电同轴线9的内芯与介质基板1的金属地板相连，从而简化了馈电结构并且实现了天线结构的平衡馈电。

在本发明的一个可选实施例中，所述第二激励结构包括：

刻蚀于所述金属层2且分别与所述介质谐振器3的四边平行的第一可重构缝隙单元14、第二可重构缝隙单元15、第三可重构缝隙单元16和第四可重构缝隙单元17。

所述第一可重构缝隙单元14、第二可重构缝隙单元15、第三可重构缝隙单元16和第四可重构缝隙单元17的结构相同，均包括可重构H形缝隙和加载在所述可重构H形缝隙中的可调控器件。

其中，所述可重构H形缝隙包括：

第一缝隙以及设置于所述第一缝隙两端的第二缝隙和第三缝隙；所述第二缝隙和第三缝隙均为凹形结构，且凹形结构的开口处与所述第一缝隙两端联通。

为了进一步解决现有技术中方向图状态多样性不足的问题，本实施例在金属地板与介质谐振器3的接触区域外侧分别刻蚀四个可重构缝隙单元，即第一可重构缝隙单元14、第二可重构缝隙单元15、第三可重构缝隙单元16和第四可重构缝隙单元17；各个可重构缝隙单元均相对介质谐振器3的对应边平行设置，每个可重构缝隙单元采用相同结构，均包括可重构H形缝隙和加载在所述可重构H形缝隙中的可调控器件，从而形成相对天线中心的中心对称结构，使得特定结构的可重构缝隙单元相较于传统矩形的缝隙能够实现天线结构的小型化，并且能够实现跟对应矩形缝隙相同的工作特性。其中可调控器件采用Pin二极管，并与控制电路相连；通过Pin二极管可以独立控制各个可重构H形缝隙的通断状态，使得每个可重构H形缝隙在激励状态下等效为沿着其摆放方向的磁流元，即当加载在可重构H形缝隙中心位置的Pin二极管处于导通状态时，其对应的可重构H形缝隙被短路，不能被激励；当加载在可重构H形缝隙中心位置的Pin二极管处于关闭状态时，其对应的可重构H形缝隙被激励，等效为一个沿其摆放方向的磁流元；从而实现对对应的等效磁流元的激励状态进行独立控制，进而可以由等效电流元和等效磁流元形成不同的互补辐射对，每对互补辐射体基于互补原理可以产生相应的方向图辐射响应，从而产生不同的定向辐射方向图。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，从而满足智能设备中的多样化应用需求。

本实施例在每一时刻分别激励起某一个或某两个相邻可重构H形缝隙，分别可以构成相应的等效磁流元，与介质谐振器3等效的电流元组合起来，可以产生相应的定向辐射；根据控制四个可重构H形缝隙的激励状态，分别形成不同的辐射体对，从而可以产生在φ平面的八种不同的辐射方向图状态。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=30°)指向的角度如表1所示。

表1

在本发明的一个可选实施例中，本实施例提供的一种方向图可重构介质谐振天线还包括：

反射板18，其通过支撑柱与所述介质基板1的下表面固定连接。

本实施例为了解决可重构缝隙引起的后向辐射导致的辐射性能降低的问题，通过在介质基板1下方放置反射板18，从而产生良好的定向辐射方向图响应；并且通过塑料柱与介质基板1之间进行固定，保证了反射板18与介质基板1之间的空气层的高度。

在本发明的一个可选实施例中，本实施例采用的介质谐振器3的材料为氧化铝陶瓷，介电常数为9.4；介质基板1为厚度为1.0 mm的F4BK介质板，反射板18为厚度为0.5 mm的铝板，馈电同轴线9为连接有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）。图5-图8展示了天线的带宽性能和辐射性能。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。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”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，仅是为了使于描述本发明和简化描述，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的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。

在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用以描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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中的具体含义。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“~”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A~B''表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，包括：

介质基板（1），其上表面设置一金属层（2）；

介质谐振器（3），其设置于所述介质基板（1）的金属层（2）上表面；

第一激励结构，其设置于所述介质基板（1）的下表面，且与所述介质谐振器（3）构成等效电流元辐射体；

第二激励结构，其设置于所述介质谐振器（3）的外围，构成等效电磁元辐射体，且与所述等效电流元辐射体形成可控互补辐射体对以产生可重构方向图辐射响应。

2.根据权利要求1所述的一种方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述第一激励结构包括：

设置于所述介质基板（1）的下表面的微带线馈电单元，以及刻蚀于所述金属层（2）与所述微带线馈电单元匹配的馈电缝隙单元。

3.根据权利要求2所述的一种方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述微带线馈电单元包括：

设置于所述介质基板（1）的下表面相对所述介质谐振器（3）的中心对应位置的圆形馈电微带贴片（4），以及从所述圆形馈电微带贴片（4）引出沿所述介质谐振器（3）的对角线方向延伸的第一馈电微带线（5）、第二馈电微带线（6）、第三馈电微带线（7）和第四馈电微带线（8）。

4.根据权利要求3所述的一种方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述介质基板（1）相对所述介质谐振器（3）的中心对应位置设置馈电同轴线（9），所述馈电同轴线（9）的外芯与所述圆形馈电微带贴片（4）相连，所述馈电同轴线（9）的内芯与所述金属层（2）相连。

5.根据权利要求2所述的一种方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述馈电缝隙单元包括：

设置于所述介质谐振器（3）的四个内角对应位置的第一折叠型馈电缝隙（10）、第二折叠型馈电缝隙（11）、第三折叠型馈电缝隙（12）和第四折叠型馈电缝隙（13）。

6.根据权利要求5所述的一种方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述第一折叠型馈电缝隙（10）、第二折叠型馈电缝隙（11）、第三折叠型馈电缝隙（12）和第四折叠型馈电缝隙（13）的结构相同，均包括第一馈电缝隙和第二馈电缝隙；

所述第一馈电缝隙和第二馈电缝隙分别与所述介质谐振器的对应内角两边平行且在相交处联通。

7.根据权利要求1所述的一种方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述第二激励结构包括：

刻蚀于所述金属层（2）且分别与所述介质谐振器（3）的四边平行的第一可重构缝隙单元（14）、第二可重构缝隙单元（15）、第三可重构缝隙单元（16）和第四可重构缝隙单元（17）。

8.根据权利要求7所述的一种方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述第一可重构缝隙单元（14）、第二可重构缝隙单元（15）、第三可重构缝隙单元（16）和第四可重构缝隙单元（17）的结构相同，均包括可重构H形缝隙和加载在所述可重构H形缝隙中的可调控器件。

9.根据权利要求8所述的一种方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，所述可重构H形缝隙包括：

第一缝隙以及设置于所述第一缝隙两端的第二缝隙和第三缝隙；所述第二缝隙和第三缝隙均为凹形结构，且凹形结构的开口处与所述第一缝隙两端联通。

10.根据权利要求1至9任一所述的一种方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，还包括：

反射板（18），其通过支撑柱与所述介质基板（1）的下表面固定连接。

Images