CN115954661A - 一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线，包括介质基板；以及贴设在介质基板下表面的金属带槽地板；介质基板的上表面贴设有圆形贴片和若干T形单极子，若干T形单极子分别通过开关组件与金属带槽地板连接，T形单极子用于激励起圆形贴片两端边沿的等效磁流，若干开关组件通过控制通断状态的组合产生可重构微带天线的倾斜波束方向图；金属带槽地板的下方还设置有用于激励圆形贴片和金属带槽地板的同轴电缆，同轴电缆的内、外导体分别与所述圆形贴片和金属带槽地板的几何中心连接。本发明具有结构紧凑、线极化和俯仰角波束倾斜特性、剖面低的优点，所述360°周向波束覆盖由四个具有不同指向的倾斜波束切换而成。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体为一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线。
背景技术
在现代通信系统中，例如城镇道路上的通信，严重的多径效应、多径反射与散射是无可避免的，因此传统的单一辐射模式的天线是难于满足现今的复杂道路环境的。为了提高传输系统的覆盖率、效率和信道容量，具有多个波束切换功能的方向图可重构天线被用于无线通信系统中。方向图可重构天线也在很多应用场景中，诸如无线局域网、蜂窝基站通信、导航链路系统中都已被广泛研究。另一方面端射天线是一种最大辐射方向平行于辐射体表面的天线，具有高增益的性能。然而在一些通信场景中，例如大的会议室，通常会将天线安装到屋顶，此时端射式的天线不再适用，取而代之一些具有倾角的定向辐射天线更适用。因此具有低剖面、倾斜波束、高增益的方向图可重构天线受到了广泛关注。然而现存的倾斜波束的方向图天线类型并不多见，并且常见的端射类型的方向图可重构天线有八木天线、结合了电偶极子和磁偶极子从而形成的惠更斯源天线以及一些通过开关控制的频率选择表面(frequency selective surface，FSS)天线。这些天线通常面临结构不具有对称性，剖面高不易于安装集成使用，无法迎合现今无线通信技术小型化和集成化的发展。
发明内容
本发明的目的就是提供一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线。
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；以及贴设在所述介质基板下表面的金属带槽地板；
所述介质基板的上表面贴设有圆形贴片和若干T形单极子，若干T形单极子分别通过开关组件与金属带槽地板连接，所述T形单极子用于激励起圆形贴片两端边沿的等效磁流，若干开关组件通过控制通断状态的组合产生可重构微带天线的倾斜波束方向图；
所述金属带槽地板的下方还设置有用于激励圆形贴片和金属带槽地板的同轴电缆，所述同轴电缆的内、外导体分别与所述圆形贴片和金属带槽地板的几何中心连接。
进一步，所述T形单极子的数量为四个；
所述T形单极子包括矩形条带，以及连接在所述矩形条带一端的扇形条带。
进一步，所述圆形贴片上切割有沿其圆心等角度阵列设置的四个矩形通槽；
所述矩形通槽沿所述圆形贴片的径向设置，四个矩形条带的另一端分别设置在四个矩形通槽内，所述矩形条带与所述矩形通槽平行设置形成交指电容耦合结构，用于改善可重构微带天线的阻抗匹配。
进一步，所述开关组件均包括三个金属柱，三个金属柱的一端均与所述扇形条带连接，三个金属柱中两侧的两个金属柱关于所述矩形条带对称设置，中间的一个金属柱位于所述矩形条带的中心线上，所述金属柱用于激励起中间圆形贴片不与其接触的两端的等效磁流，并且两个所等效的磁流具有幅度和相位差，能够形成倾斜波束的方向图。
进一步，所述金属带槽地板上开设有若干与金属柱一一对应的环形槽；
所述环形槽将金属带槽地板分割为内侧地板和外侧地板，每个内侧地板均通过两个矩形开关与外侧地板连接，三个金属柱的另一端分别与一个内侧地板连接。
进一步，所述圆形贴片与T形单极子均为厚度相同的覆铜薄膜；
所述圆形贴片的半径R1为9mm，所述矩形通槽的长度L1为3.9mm，所述矩形通槽的宽度W1为0.6mm；
所述矩形条带的长度L2为4mm，所述矩形条带的宽度W2为0.4mm，所述扇形条带的宽度W2为1.5mm，所述扇形条带的角度A1为80deg；
所述圆形贴片与T形单极子之间的缝隙距离gap1为0.25mm；
所述金属柱的半径R2为0.25mm，所述圆形贴片经过两侧的金属柱圆心的径向线与矩形条带中心线的夹角A2为8deg。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1、本发明通过两对接地金属柱用于产生两组等效磁流，两组等效磁流存在对应的相位差与幅度，因此能将双锥形波束的其中一侧波束成功抵消其辐射，产生一个具有30°倾角的端射辐射方向图。
2、本发明的天线与传统的单极子天线相比，结合了微带天线的低剖面优势，剖面高度为0.035λg，易于加工集成，良好的定向辐射特性，增益峰值8.8dBi，使用理想的开关进行波束状态的切换，可以实现360°的周向波束覆盖。使用同轴电缆中心馈电，天线结构简单，辐射效率高达95％。
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是本发明具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线的立体示意图。
图2是本发明具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线的俯视图。
图3是本发明具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线中圆形贴片的俯视图。
图4是本发明具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线中T形单极子的俯视图。
图5是本发明具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线中带金属柱、矩形开关与金属带槽地板连接的示意图。
图6是本发明具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线实施例的反射系数曲线图。
图7为本发明具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线实施例的仿真的增益随频率变化的曲线图。
图8为本发明具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线的仿真的效率曲线图。
图9为本发明具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线在5.32GHz的不同工作状态下的水平面二维方向图。
图10为本发明具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线在5.32GHz的工作状态Ⅰ下的归一化垂直面方向图。
图中：1-介质基板；2-金属带槽地板；3-圆形贴片；31-矩形通槽；4-T形单极子；5-开关组件；6-同轴电缆；21-环形槽；22-内侧地板；23-外侧地板；31-矩形通槽；41-矩形条带；42-扇形条带；51-金属柱；52-矩形开关；5101-第一金属柱；5102-第二金属柱；5103-第三金属柱；5104-第四金属柱；5105-第五金属柱；5106-第六金属柱；5107-第七金属柱；5108-第八金属柱；5109-第九金属柱；5110-第十金属柱；5111-第十一金属柱；5112-第十二金属柱。
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5所示的一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线，其特征在于，包括介质基板1；以及贴设在所述介质基板1下表面的金属带槽地板2；
所述介质基板1的上表面贴设有圆形贴片3和若干T形单极子4，若干T形单极子4分别通过开关组件5与金属带槽地板2连接，所述T形单极子4用于激励起圆形贴片3两端边沿的等效磁流，若干开关组件5通过控制通断状态的组合产生可重构微带天线的倾斜波束方向图；
所述金属带槽地板2的下方还设置有用于激励圆形贴片3和金属带槽地板2的同轴电缆6，所述同轴电缆6的内、外导体分别与所述圆形贴片3和金属带槽地板2的几何中心连接。
在本发明实例中，所述介质基板1的材料采用厚度为2mm，相对介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的罗杰斯5880，所述金属带槽地板2的直径为1.4λg。
作为本发明的一种实施例，所述T形单极子4的数量为四个；
所述T形单极子4包括矩形条带41，以及连接在所述矩形条带41一端的扇形条带42。
作为本发明的一种实施例，所述圆形贴片3上切割有沿其圆心等角度阵列设置的四个矩形通槽31；
所述矩形通槽31沿所述圆形贴片3的径向设置，四个矩形条带41的另一端分别设置在四个矩形通槽31内，所述矩形条带41与所述矩形通槽31平行设置形成交指电容耦合结构，用于改善可重构微带天线的阻抗匹配。
作为本发明的一种实施例，所述开关组件5均包括三个金属柱51，三个金属柱51的一端均与所述扇形条带42连接，三个金属柱51中两侧的两个金属柱51关于所述矩形条带41对称设置，中间的一个金属柱51位于所述矩形条带41的中心线上，所述金属柱51用于激励起中间圆形贴片3不与其接触的两端的等效磁流，并且两个所等效的磁流具有幅度和相位差，能够形成倾斜波束的方向图。
作为本发明的一种实施例，所述金属带槽地板2上开设有若干与金属柱51一一对应的环形槽21；
所述环形槽21将金属带槽地板2分割为内侧地板22和外侧地板23，每个内侧地板22均通过两个矩形开关52与外侧地板23连接，三个金属柱51的另一端分别与一个内侧地板22连接。
在本发明实例中，如图5所示，12个金属柱包括第一金属柱5101、第二金属柱5102、第三金属柱5103、第四金属柱5104、第五金属柱5105、第六金属柱5106、第七金属柱5107、第八金属柱5108、第九金属柱5109、第十金属柱5110、第十一金属柱5111、第十二金属柱5112。
所述第一金属柱5101、第二金属柱5102、第五金属柱5105、第六金属柱5106以及对应的8个矩形开关52构成第一开关模组；
所述第一金属柱5101、第二金属柱5102、第七金属柱5107、第八金属柱5108以及对应的8个矩形开关52构成第二开关模组；
所述第三金属柱5103、第四金属柱5104、第九金属柱5109、第十金属柱5110以及对应的8个矩形开关52构成第三开关模组；
所述第三金属柱5103、第四金属柱5104、第十一金属柱5111、第十二金属柱5112以及对应的8个矩形开关52构成第四开关模组。
通过以上四个开关模组进行控制分别用于实现Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种状态，通过第一开关模组控制状态Ⅰ，状态Ⅰ定义为朝向左侧的端射状态；
通过第二开关模组控制状态Ⅱ，状态Ⅱ定义为朝向右侧的端射状态；
通过第三开关模组控制状态Ⅲ，状态Ⅲ定义为朝向后侧的端射状态；
通过第四开关模组控制状态Ⅳ，状态Ⅳ定义为朝向前侧的端射状态。
本实施例所述天线的四种工作状态下开关的通断组合方式如表1所示。
表1天线的四种工作状态下开关的通断组合方式
| 状态 | 开关组1 | 开关组2 | 开关组3 | 开关组4 |
| Ⅰ | 导通 | 断开 | 断开 | 断开 |
| Ⅱ | 断开 | 导通 | 断开 | 断开 |
| Ⅲ | 断开 | 断开 | 导通 | 断开 |
| Ⅳ | 断开 | 断开 | 断开 | 导通 |
作为本发明的一种实施例，所述圆形贴片3与T形单极子4均为厚度相同的覆铜薄膜；
所述圆形贴片3的半径R1为9mm，所述矩形通槽31的长度L1为3.9mm，所述矩形通槽31的宽度W1为0.6mm；
所述矩形条带41的长度L2为4mm，所述矩形条带41的宽度W2为0.4mm，所述扇形条带42的宽度W3为1.5mm，所述扇形条带42的角度A1为80deg；
所述圆形贴片3与T形单极子4之间的缝隙距离gap1为0.25mm；
所述金属柱51的半径R2为0.25mm，所述圆形贴片3经过两侧的金属柱51圆心的径向线与矩形条带41中心线的夹角A2为8deg。
根据上述参数，使用高频电磁仿真软件HFSS对所设计的一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线在各个状态下的反射系数、增益、效率及辐射方向图等特性参数进行了仿真分析，其分析结果如下：
由于本实施例具有结构的对称性，所述各个状态下的反射系数、效率、增益值均一样。以下仿真结果单独放置一组状态下的结果。
如图6所示，本发明实施例的在各状态下的仿真反射曲线，各个状态下的阻抗带宽为2.3％(5.26-5.38GHz)。
如图7所示，本发明实施例的仿真增益在带内具有平稳的增益值：8.4-8.8dBi，天线具有较高的增益值。
如图8所示，本发明实施例的仿真效率值高达96％。
如图9所示，给出了本实施例中各个切换状态下的水平面二维辐射方向图，状态Ⅰ最大增益指向水平面
状态Ⅱ最大增益指向水平面
状态Ⅲ最大增益指向水平面
状态4最大增益指向水平面
每个切换方向上均能够覆盖高达125°的3dB下降波宽，因此也能够说明四个状态下是能完全覆盖整个方位面。
如图10所示，给出了状态Ⅰ下的垂直面二维辐射方向图的仿真结果，最大增益指向θ＝30°，表明本发明所设计天线具有倾斜波束指向性，天线的交叉极化水平良好，高达30dB以上。
综上所述，本发明的一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线，在具有优良辐射特性的同时，还具有尺寸紧凑、结构简单、高增益的优点。
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 (6)
1.一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线，其特征在于，包括介质基板(1)；以及贴设在所述介质基板(1)下表面的金属带槽地板(2)；
所述介质基板(1)的上表面贴设有圆形贴片(3)和若干T形单极子(4)，若干T形单极子(4)分别通过开关组件(5)与金属带槽地板(2)连接，所述T形单极子(4)用于激励起圆形贴片(3)两端边沿的等效磁流，若干开关组件(5)通过控制通断状态的组合产生可重构微带天线的倾斜波束方向图；
所述金属带槽地板(2)的下方还设置有用于激励圆形贴片(3)和金属带槽地板(2)的同轴电缆(6)，所述同轴电缆(6)的内、外导体分别与所述圆形贴片(3)和金属带槽地板(2)的几何中心连接。
2.如权利要求1所述的一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线，其特征在于，所述T形单极子(4)的数量为四个；
所述T形单极子(4)包括矩形条带(41)，以及连接在所述矩形条带(41)一端的扇形条带(42)。
3.如权利要求2所述的一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线，其特征在于，所述圆形贴片(3)上切割有沿其圆心等角度阵列设置的四个矩形通槽(31)；
所述矩形通槽(31)沿所述圆形贴片(3)的径向设置，四个矩形条带(41)的另一端分别设置在四个矩形通槽(31)内，所述矩形条带(41)与所述矩形通槽(31)平行设置形成交指电容耦合结构，用于改善可重构微带天线的阻抗匹配。
4.如权利要求3所述的一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线，其特征在于，所述开关组件(5)均包括三个金属柱(51)，三个金属柱(51)的一端均与所述扇形条带(42)连接，三个金属柱(51)中两侧的两个金属柱(51)关于所述矩形条带(41)对称设置，中间的一个金属柱(51)位于所述矩形条带(41)的中心线上，所述金属柱(51)用于激励起中间圆形贴片(3)不与其接触的两端的等效磁流，并且两个所等效的磁流具有幅度和相位差，能够形成倾斜波束的方向图。
5.如权利要求4所述的一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线，其特征在于，所述金属带槽地板(2)上开设有若干与金属柱(51)一一对应的环形槽(21)；
所述环形槽(21)将金属带槽地板(2)分割为内侧地板(22)和外侧地板(23)，每个内侧地板(22)均通过两个矩形开关(52)与外侧地板(23)连接，三个金属柱(51)的另一端分别与一个内侧地板(22)连接。
6.如权利要求5所述的一种具有360°周向波束覆盖的可重构微带天线，其特征在于，所述圆形贴片(3)与T形单极子(4)均为厚度相同的覆铜薄膜；
所述圆形贴片(3)的半径R1为9mm，所述矩形通槽(31)的长度L1为3.9mm，所述矩形通槽(31)的宽度W1为0.6mm；
所述矩形条带(41)的长度L2为4mm，所述矩形条带(41)的宽度W2为0.4mm，所述扇形条带(42)的宽度W2为1.5mm，所述扇形条带(42)的角度A1为80deg；
所述圆形贴片(3)与T形单极子(4)之间的缝隙距离gap1为0.25mm；
所述金属柱(51)的半径R2为0.25mm，所述圆形贴片(3)经过两侧的金属柱(51)圆心的径向线与矩形条带(41)中心线的夹角A2为8deg。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116683187A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-09-01 | 淮南联合大学(安徽广播电视大学淮南分校淮南职工大学) | 基于可重构地板宽带低剖面方向图多样性天线及设计方法 |
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2022
- 2022-12-30 CN CN202211739998.8A patent/CN115954661A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116683187A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-09-01 | 淮南联合大学(安徽广播电视大学淮南分校淮南职工大学) | 基于可重构地板宽带低剖面方向图多样性天线及设计方法 |
| CN116683187B (zh) * | 2023-06-25 | 2024-05-17 | 淮南联合大学(安徽广播电视大学淮南分校淮南职工大学) | 基于可重构地板宽带低剖面方向图多样性天线及设计方法 |
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