CN116315641A - 一种方向图可重构的分形天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动通信技术领域，公开了一种方向图可重构的分形天线，包括介质板和金属接地板、中心辐射体、馈电端口、连接于中心辐射体一侧的左侧MEMS开关、连接于中心辐射体另一侧的右侧MEMS开关；中心辐射体、左侧MEMS开关、右侧MEMS开关设置于介质板的上表面，金属接地板设置于介质板的下表面；馈电端口一端连接中心辐射体，馈电端口另一端贯穿介质板连接金属接地板。本发明解决了现有技术存在的方向性指标有待进一步提高、天线尺寸有待进一步减小等问题。

Description

一种方向图可重构的分形天线

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体是一种方向图可重构的分形天线。

背景技术

随着无线通信的飞速发展，无论是民用还是军用通信系统，它们对天线工作性能的要求都愈发严苛。因此，要实现对新型体制无线通信对抗的需求，设计出能满足陆地、海洋以及空天等平台需要、高增益、低重量、低成本、可重构的无线通信对抗天线显得尤为重要。可重构天线成为当今天线研究设计的前沿课题。

方向图可重构天线是指通过改变天线的结构改变天线的方向图而不改变天线工作的频率的可重构天线。方向图可重构天线具有一个天线实现多个天线的功能，因此广泛应用于雷达、智能武器制导、无线通信和遥感系统这种对天线的质量，尺寸和方向性要求严格的领域。

分形天线能满足现代天线需要的低剖面、小型化、易加工、低成本等要求。分形天线的结构变化使得天线的尺寸得以缩减。目前，分形天线在无线通信、卫星和移动通信方面都有着巨大的发展潜力和非常广阔的市场前景。

申请号为CN201711280044.4，发明名称为“一种基于可调材料的方向图可重构天线”，提出了一种基于可调材料的方向图可重构天线，利用液晶电压偏置系统在金属地和寄生单元贴片之间加偏置电压，使得天线的最大辐射方向可以随外加电压偏置改变，具有方向图可调、成本低、无功耗等特点。但其增益和方向性还需进一步提升。申请号为CN201621467651.2，发明名称为“方向图可重构天线及通讯设备”，提出了一种方向图可重构天线，增加金属环与金属片，通过金属环加载基板的方式，使天线可工作在环天线模式和偶极子天线模式这两种模式下，实现了在小于1GHz频段下的方向图可重构天线。然而其端口匹配以及天线增益还需进一步改进。申请号为CN201810833075.6，发明名称为“方向图可重构MIMO天线”，提出了一种方向图可重构天线，解决目前MIMO通信系统信道容量受限的技术问题，进一步解决现有方向图可重构MIMO天线性能较差、结构复杂问题，提供了一种结构简单的方向图可重构MIMO天线。通过增加两条弯折带线组成的寄生单元增强了天线的方向性，增加解耦条带改善天线单元之间的隔离度，使天线工作在一个双向辐射模式和两个定向辐射模式，为MIMO通信系统高信道容量提供行之有效的解决途径。但其方向性这一指标还需进一步提高，天线的尺寸还需进一步减小。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种方向图可重构的分形天线，解决现有技术存在的方向性指标有待进一步提高、天线尺寸有待进一步减小等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种方向图可重构的分形天线，包括介质板和金属接地板、中心辐射体、馈电端口、连接于中心辐射体一侧的左侧MEMS开关、连接于中心辐射体另一侧的右侧MEMS开关；中心辐射体、左侧MEMS开关、右侧MEMS开关设置于介质板的上表面，金属接地板设置于介质板的下表面；馈电端口一端连接中心辐射体，馈电端口另一端贯穿介质板连接金属接地板。

作为一种优选的技术方案，左侧MEMS开关远离中心辐射体的一端连接有左辐射体，右侧MEMS开关远离中心辐射体的一端连接有右辐射体；左辐射体包括沿远离中心辐射体方向依次连接的左辐射体第二长方形部、左辐射体第一长方形部、左辐射体分形辐射贴片，左辐射体第二长方形部与左侧MEMS开关连接；右辐射体包括沿远离中心辐射体方向依次连接的右辐射体第二长方形部、右辐射体第一长方形部、右辐射体分形辐射贴片，右辐射体第二长方形部与右侧MEMS开关连接。

作为一种优选的技术方案，左辐射体第二长方形部的长度为5.5mm～6.5mm、宽度为2.8mm～3.2mm，左辐射体第一长方形部的长度为1.8mm～2.2mm、宽度为3.5mm～6mm，左辐射体分形辐射贴片的长度为12mm～14mm、宽度为10mm～12mm；右辐射体第二长方形部的长度为5.5mm～6.5mm、宽度为2.8mm～3.2mm，右辐射体第一长方形部的长度为1.8mm～2.2mm、宽度为3.5mm～6mm，右辐射体分形辐射贴片的长度为12mm～14mm、宽度为10mm～12mm。

作为一种优选的技术方案，左辐射体分形辐射贴片的结构为：将左辐射体分形辐射贴片分为4行9列个长方形部Aij，其中，i表示长方形部的行编号，j表示长方形部的列编号，i沿远离中心辐射体的方向依次为4、3、2、1，j从上至下依次为1、2、3、4、5、6、7、8、9，将长方形部A₁₂、A₃₂、A₁₄、A₂₄、A₁₅、A₂₅、A₃₅、A₁₆、A₂₆、A₁₈、A₃₈镂空，将其余长方形部实体部分保留；右辐射体分形辐射贴片、中心辐射体、左辐射体分形辐射贴片位于同一平面，右辐射体分形辐射贴片为与左辐射体分形辐射贴片关于中心辐射体中心线轴对称的结构。

作为一种优选的技术方案，介质板的介电常数为4.3～4.45。

作为一种优选的技术方案，介质板的厚度为1.50mm～1.65mm。

作为一种优选的技术方案，介质板的长度为46mm～48mm、宽度为14mm～15mm。

作为一种优选的技术方案，介质板为FR-4介质板。

作为一种优选的技术方案，金属接地板的长度为19.8mm～20.2mm、宽度为12.5mm～14.1mm。

作为一种优选的技术方案，馈电端口采用同轴线馈电方式为中心辐射体提供馈电。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

本发明设计了一款方向图可重构的分形天线，在不改变天线工作频率的前提下，通过MEMS开关改变天线的结构实现方向图可重构，一个天线可以实现多个天线的功能，降低了天线的成本。与传统方向图可重构天线相比，本发明采用分形结构作为天线的辐射贴片，由于分形结构复杂的排布方式使得本天线有良好辐射性能的同时，将天线尺寸减小至46mm×14mm×1.6mm，提高天线的便携性。

附图说明

图1为本发明的方向图可重构分形天线的正面结构示意图；

图2为本发明的方向图可重构分形天线的背面结构示意图；

图3为本发明的方向图可重构分形天线的S参数图；

图4为本发明的方向图可重构分形天线左侧MEMS开关打开、右侧MEMS开关关闭时的YOZ面的仿真方向图；

图5为本发明的方向图可重构分形天线左侧MEMS开关关闭、右侧MEMS开关打开时的YOZ面的仿真方向图；

图6为本发明的方向图可重构分形天线左侧MEMS开关打开、右侧MEMS开关关闭时的3D仿真方向图；

图7为本发明的方向图可重构分形天线左侧MEMS开关打开、右侧MEMS开关关闭时的3D仿真方向图。

附图中标记及其相应的名称：1-左辐射体分形辐射贴片、2-左辐射体第一长方形部、3-左辐射体第二长方形部、4-左侧MEMS开关、5-馈电端口、6-中心辐射体、7-右侧MEMS开关、8-右辐射体第二长方形部、9-右辐射体第一长方形部、10-右辐射体分形辐射贴片、11-介质板、12-金属接地板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

实施例1

如图1至图7所示，本发明通过使用MEMS开关改变分形天线的结构，提供了一种方向图可重构的分形天线，其工作频段为3.6GHz-4.2GHz，在保证天线辐射频率范围不变的前提下，有效降低了天线的尺寸，实现了天线方向图可重构，因此解决了背景技术中存在的局限性问题。

本发明采用了以下技术方案来实现目的：

一种方向图可重构的分形天线，包括辐射体、左侧MEMS开关4、右侧MEMS开关7、介质板11和金属接地板12；所述辐射体、左侧MEMS开关4、右侧MEMS开关7位于介质板11的上表面，金属接地板12位于介质板11下表面，馈电端口5位于辐射体中央，所述馈电端口5穿过所述介质板11，分别连接所述中心辐射体6和金属接地板12，所述馈电端口5采用同轴线馈电方式馈电。

进一步的所述辐射体包括左辐射体、右辐射体和中心辐射体6，所述左辐射体和右辐射体对称设置于所述介质板11上表面的中轴线两侧位置，中心辐射体6的中点位于介质板11的正中央。

进一步的，将左辐射体分形辐射贴片1分为4行9列个长方形部A_ij，其中，i表示长方形部的行编号，j表示长方形部的列编号，i沿远离中心辐射体6的方向依次为4、3、2、1，j从上至下依次为1、2、3、4、5、6、7、8、9，将长方形部A₁₂、A₃₂、A₁₄、A₂₄、A₁₅、A₂₅、A₃₅、A₁₆、A₂₆、A₁₈、A₃₈镂空，将其余长方形部实体部分保留；

具体的，所述左辐射体和所述右辐射体的结构及尺寸均相同。(即右辐射体第二长方形部8、右辐射体第一长方形部9、右辐射体分形辐射贴片10与左辐射体第二长方形部3、左辐射体第一长方形部2、左辐射体分形辐射贴片1结构及尺寸均相同。)

进一步的，左侧MEMS开关4位于中心辐射体6左侧，用以连接中心辐射体6和左辐射体，右侧MEMS开关7位于中心辐射体6右侧，用以连接中心辐射体6和右辐射体。所述左侧MEMS开关4和右侧MEMS开关7对称设置于所述介质板11上表面的中轴线两侧位置。

具体的，所述左侧MEMS开关4和右侧MEMS开关7的结构及尺寸均相同。

进一步的，所述馈电端口5位于所述中心辐射体6中央，贯穿所述介质板11，分别连接所述中心辐射体6和金属接地板12。

具体的，所述馈电端口5采用同轴线馈电方式对天线进行馈电。

具体的，所述介质板11采用介电常数为4.4，厚度为1.6mm的FR-4介质板11。

具体的，所述中心辐射体6为正方形贴片结构，边长为6mm；所述左辐射体由长度为2mm，宽度为4mm的左辐射体第一长方形部2、长度为6mm，宽度为3mm的左辐射体第二长方形部3和总长为13mm，总宽为11mm的左辐射体分形辐射贴片1相连构成。将长度为13mm，宽度为11mm的左辐射体分形辐射贴片1等分为4行9列个长方形部A_ij，其中，i表示长方形部的行编号，j表示长方形部的列编号，i沿远离中心辐射体6的方向依次为4、3、2、1，j从上至下依次为1、2、3、4、5、6、7、8、9，将长方形部A₁₂、A₃₂、A₁₄、A₂₄、A₁₅、A₂₅、A₃₅、A₁₆、A₂₆、A₁₈、A₃₈镂空，将其余长方形部实体部分保留，每个长方形部A_ij的长度宽度均相等，长度为11/4，宽度为13/9；所述右辐射体与左辐射体结构尺寸相同，对称设置于所述介质板11上表面的中轴线两侧位置；所述介质板11的长度为46mm，宽度为14mm；所述金属接地板的长度为20mm，宽度为14mm。

综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

本发明设计了一款方向图可重构的分形天线，在不改变天线工作频率的前提下，通过MEMS开关改变天线的结构实现方向图可重构，一个天线可以实现多个天线的功能，降低了天线的成本。与传统方向图可重构天线相比，本发明采用分形结构作为天线的辐射贴片，由于分形结构复杂的排布方式使得本天线有良好辐射性能的同时，将天线尺寸减小至46mm×14mm×1.6mm，提高天线的便携性。

实施例2

如图1至图7所示，作为实施例1的进一步优化，在实施例1的基础上，本实施例还包括以下技术特征：

如图1所示，一种方向图可重构的分形天线，包括辐射体、左侧MEMS开关4、右侧MEMS开关7、介质板11和金属接地板12；辐射体与左侧MEMS开关4，右侧MEMS开关7设置于介质板上表面，金属接地板12设置于介质板11的下表面；馈电端口5位于中心辐射体6中央，贯穿介质板11，分别连接中心辐射体6和金属接地板12；馈电端口5采用同轴线馈电方式为辐射体提供馈电。

辐射体包括左辐射体、右辐射体和中心辐射体。左辐射体由左辐射体第一长方形部2、左辐射体第二长方形部3和左辐射体分形辐射贴片1相连构成。将左辐射体分形辐射贴片1分为4行9列个长方形部A_ij，其中，i表示长方形部的行编号，j表示长方形部的列编号，i沿远离中心辐射体6的方向依次为4、3、2、1，j从上至下依次为1、2、3、4、5、6、7、8、9，将长方形部A₁₂、A₃₂、A₁₄、A₂₄、A₁₅、A₂₅、A₃₅、A₁₆、A₂₆、A₁₈、A₃₈镂空，将其余长方形部实体部分保留。左辐射体和右辐射体的结构及尺寸均相同，且关于介质板的中垂线对称分布。

本实施例中，方向图可重构分形天线的左辐射体长度和右辐射体长度是根据谐振频率的要求设计的，天线的工作频段为3.6GHz-4.2GHz，中心频率为4GHz，通过调整左右辐射体的长度，可以调整天线的谐振频率；由于本例分形天线的工作频段为3.6G至4.2GHz，中心频点为4GHz，经过计算，此时对应的波长为75mm；本领域技术人员可根据实际需要，在实际应用时自行调整尺寸。

本实施例中，介质板采用介电常数为4.4，厚度为1.6mm的FR-4介质板11，其长度为46mm，宽度为14mm，介质板的介电常数、长度、宽度以及厚度可在实际应用时再根据实际需要进行选择。

因此，本实施例对本发明技术方案的天线结构所提供的具体尺寸如下：中心辐射体6为正方形贴片结构，边长为6mm；左辐射体由长度为2mm，宽度为4mm的左辐射体第一长方形部2、长度为6mm，宽度为3mm的左辐射体第二长方形部3和总长为13mm，总宽为11mm的左辐射体分形辐射贴片1相连构成。介质板11的长度为46mm，宽度为14mm；所述金属接地板12的长度为20mm，宽度为14mm。

以下展示本发明技术方案的方向图可重构分形天线的结果数据。图3至图7分别给出了方向图可重构分形天线的S参数图、不同MEMS开关(左侧MEMS开关，右侧MEMS开关)打开时的YOZ面方向图和3D方向图。

结果表明，本发明方向图可重构分形天线在回波损耗小于-10dB时，工作在3.6GHz到4.2GHz之间，中心频率为4GHz。在中心频率4GHz处，当左侧MEMS开关断开，右侧MEMS开关闭合时，E面主波束指向，3dB波束宽度覆盖俯仰角到。当左侧MEMS开关闭合，右侧MEMS开关断开时，E面主波束指向，3dB波束宽度覆盖俯仰角到。可以证明，本发明技术方案的分形天线在工作频段范围内通过控制不同的开关断开或闭合实现了方向图可重构。

如上所述，可较好地实现本发明。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种方向图可重构的分形天线，其特征在于，包括介质板(11)和金属接地板(12)、中心辐射体(6)、馈电端口(5)、连接于中心辐射体(6)一侧的左侧MEMS开关(4)、连接于中心辐射体(6)另一侧的右侧MEMS开关(7)；中心辐射体(6)、左侧MEMS开关(4)、右侧MEMS开关(7)设置于介质板(11)的上表面，金属接地板(12)设置于介质板(11)的下表面；馈电端口(5)一端连接中心辐射体(6)，馈电端口(5)另一端贯穿介质板(11)连接金属接地板(12)。

2.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的分形天线，其特征在于，左侧MEMS开关(4)远离中心辐射体(6)的一端连接有左辐射体，右侧MEMS开关(7)远离中心辐射体(6)的一端连接有右辐射体；左辐射体包括沿远离中心辐射体(6)方向依次连接的左辐射体第二长方形部(3)、左辐射体第一长方形部(2)、左辐射体分形辐射贴片(1)，左辐射体第二长方形部(3)与左侧MEMS开关(4)连接；右辐射体包括沿远离中心辐射体(6)方向依次连接的右辐射体第二长方形部(8)、右辐射体第一长方形部(9)、右辐射体分形辐射贴片(10)，右辐射体第二长方形部(8)与右侧MEMS开关(7)连接。

3.根据权利要求2所述的一种方向图可重构的分形天线，其特征在于，左辐射体第二长方形部(3)的长度为5.5mm～6.5mm、宽度为2.8mm～3.2mm，左辐射体第一长方形部(2)的长度为1.8mm～2.2mm、宽度为3.5mm～6mm，左辐射体分形辐射贴片(1)的长度为12mm～14mm、宽度为10mm～12mm；右辐射体第二长方形部(8)的长度为5.5mm～6.5mm、宽度为2.8mm～3.2mm，右辐射体第一长方形部(9)的长度为1.8mm～2.2mm、宽度为3.5mm～6mm，右辐射体分形辐射贴片(10)的长度为12mm～14mm、宽度为10mm～12mm。

4.根据权利要求3所述的一种方向图可重构的分形天线，其特征在于，左辐射体分形辐射贴片(1)的结构为：将左辐射体分形辐射贴片(1)分为4行9列个长方形部A_ij，其中，i表示长方形部的行编号，j表示长方形部的列编号，i沿远离中心辐射体(6)的方向依次为4、3、2、1，j从上至下依次为1、2、3、4、5、6、7、8、9，将长方形部A₁₂、A₃₂、A₁₄、A₂₄、A₁₅、A₂₅、A₃₅、A₁₆、A₂₆、A₁₈、A₃₈镂空，将其余长方形部实体部分保留；右辐射体分形辐射贴片(10)、中心辐射体(6)、左辐射体分形辐射贴片(1)位于同一平面，右辐射体分形辐射贴片(10)为与左辐射体分形辐射贴片(1)关于中心辐射体(6)中心线轴对称的结构。

5.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的分形天线，其特征在于，介质板(11)的介电常数为4.3～4.45。

6.根据权利要求5所述的一种方向图可重构的分形天线，其特征在于，介质板(11)的厚度为1.50mm～1.65mm。

7.根据权利要求6所述的一种方向图可重构的分形天线，其特征在于，介质板(11)的长度为46mm～48mm、宽度为14mm～15mm。

8.根据权利要求7所述的一种方向图可重构的分形天线，其特征在于，介质板(11)为FR-4介质板。

9.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的分形天线，其特征在于，金属接地板(12)的长度为19.8mm～20.2mm、宽度为12.5mm～14.1mm。

10.根据权利要求1至9任一项所述的一种方向图可重构的分形天线，其特征在于，馈电端口(5)采用同轴线馈电方式为中心辐射体(6)提供馈电。

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