CN116315664B - 一种可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可重构天线，属于通信技术领域，该天线包括由间隙波导实现的腔体、定位孔、控制电路控制线、辐射槽、腔体加载周期性结构、短路金属过孔、开关二极管、扼流电感、隔直电容、空气间隙以及同轴馈电。本发明解决了可重构阵列或超表面馈电复杂、剖面较高以及控制电路复杂的问题。

Description

一种可重构天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种可重构天线。

背景技术

随着通信技术的发展，为了实现更高的传输速率，波束可重构天线在通信系统中的作用越来越明显。波束可重构天线是一种可以根据不同的通信需求和环境条件，动态调整天线的波束指向、波束宽度等参数的天线，提高天线的灵活性和适应性。波束可重构天线的概念提出于20世纪60年代，是为了减轻平台上所负载的天线重量、降低成本、减小平台的雷达散射截面实现良好的电磁兼容特性，希望能用一个天线来实现多个天线的功能。通过改变可重构天线的结构可以使天线方向图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构。

波束可重构天线在无线通信系统中有广阔的应用前景，可以利用波束成型技术，将信号能量集中在特定方向上，提高信号的覆盖范围和质量，降低干扰和衰减，可以实现空分复用技术，即在不同空间方向的用户可以同时使用全部频谱资源不间断地进行通讯，提高频谱利用率和系统容量，可以在MIMO系统中利用极化和方向图多样性的分集接收和发射来降低子信道的相关性，从而提高系统的容量。

波束可重构天线在5G通信中的应用场景主要有以下几个：5G通信需要使用毫米波频段，但毫米波信号的传播距离较短，易受遮挡和衰减的影响。波束可重构天线可以利用波束成型技术，将信号能量集中在特定方向上，提高信号的覆盖范围和质量。5G通信需要支持大规模MIMO技术，即在发射端和接收端分别使用大规模发射天线和接收天线阵列，使信号通过发射端与接收端的大规模天线阵列传送和接收，从而改善通信质量。波束可重构天线可以实现空分复用技术，即在不同空间方向的用户可以同时使用全部频谱资源不间断地进行通讯，提高频谱利用率和系统容量。5G通信需要支持多种业务场景，如增强型移动宽带、超可靠低时延通信、大规模机器类通信等。波束可重构天线可以根据不同的业务需求和环境条件，动态调整天线的波束指向、波束宽度等参数，提高天线的灵活性和适应性。

传统的波束可重构天线是一种可以通过改变天线的电气参数来实现波束指向性调整的天线。这种天线的优点是可以适应不同的通信环境，提高信号质量和抗干扰能力。但是，传统的波束可重构天线也有一些缺点，主要有以下几个方面：

复杂度高：传统的波束可重构天线需要使用多个相控器、开关、变容器等电路元件来控制天线的电气参数，这增加了天线的结构复杂度和成本，也降低了天线的可靠性和效率。

灵活性低：传统的波束可重构天线只能在预设的几个波束方向之间切换，不能实现连续和精细的波束调整，也不能适应动态变化的通信需求。

性能受限：传统的波束可重构天线由于受到电路元件的非理想性和互耦影响，会产生一些不利的效应，如相位误差、插损、回波损耗、交叉极化等，这会降低天线的增益、指向性和抗干扰能力。

以上缺点的根本原因是传统的波束可重构天线是通过改变天线的电气参数来实现波束调整，这种方式虽然简单，但是也有很大的局限性。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种可重构天线，解决了可重构阵列或超表面馈电复杂，剖面较高，控制电路复杂的问题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种可重构天线，包括由间隙波导实现的腔体、定位孔、控制电路控制线、辐射槽、腔体加载周期性结构、短路金属过孔、开关二极管、扼流电感、隔直电容、空气间隙以及同轴馈电；

所述腔体加载周期性结构位于所述腔体内，所述定位孔、控制电路控制线、短路金属过孔、开关二极管以及同轴馈电均位于所述腔体上，所述扼流电感以及隔直电容均刻蚀在腔体的金属层上，所述辐射槽刻蚀在腔体上，所述空气间隙为腔体中的间隙。

本发明的有益效果：本发明馈电结构简单，使用了同轴线耦合馈电，不需要空间馈电或者TR组件；使用了腔体结构，主题结构填充的是空气介质，降低了损耗；控制电路简单，只需要控制1bit的通断信号；阵列规模可以扩展，可以根据需要扩展为腔体的更高阶模式，或者将多个腔体组合实现灵活度更高的天线辐射。

进一步地，所述腔体包括底层间隙波导金属、间隙波导周期性结构以及顶层基板，且所述底层间隙波导金属与顶层基板不接触；所述间隙波导周期性结构位于底层间隙波导金属与顶层基板中间，所述定位孔贯穿于顶层基板。

上述进一步方案的有益效果是：间隙波导可以使顶层的基板的金属与馈电的连接的金属有一个空气间隙，保证直流信号隔绝，因此不需要考虑馈电端口与直流之间的隔离，降低了设计难度并提高了安全性。

再进一步地，所述顶层基板的底层金属为开槽的金属，所述间隙波导周期性结构与顶层基板组成了间隙波导；

所述短路金属过孔位于顶层基板上，通过顶层金属穿过顶层基板与底层金属连接，所述同轴馈电位于底层间隙波导金属上；所述底层金属与间隙波导周期性结构之间的空气间隙为0.5mm的间隙，通过四个角的塑料支撑柱支撑；所述空气间隙为底层金属与腔体的间隙；

所述控制电路控制线和开关二极管均位于所述顶层基板的顶层金属上，所述扼流电感、隔直电容以及辐射槽均刻蚀在顶层金属上。

上述进一步方案的有益效果是：可以通过控制电路控制辐射槽的工作或不工作，从而控制辐射口径的相位分布。

再进一步地，所述顶层基板上刻蚀了九对槽，每一对槽在一个电场最强的位置两边对称分布。

上述进一步方案的有益效果是：每对槽都对应一个辐射位置，每一对中选择不同的槽辐射可以实现0deg和180deg的相位差。

附图说明

图1为本实施例中TE330模电场相位分布示意图。

图2为本实施例中槽的示意图。

图3为本实施例中开关通断与状态示意图的对应关系示意图。

图4为本实施例中间隙波导侧视图。

图5为本实施例中间隙波导原理示意图。

图6为本发明天线的整体3D视图。

图7为本发明天线的俯视图。

图8为本实施例中二极管控制电路的俯视图。

图9为本实施例中每个辐射槽的控制电路图。

其中，1-顶层基板，2-底层间隙波导金属，3-定位孔，4-间隙波导周期性结构，5-控制电路控制线，6-辐射槽，7-腔体加载周期性结构，8-短路金属过孔，9-开关二极管，10-扼流电感，11-隔直电容，12-顶层金属，13-底层金属，14-空气间隙，15-同轴馈电。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

如图4、图6、图7、图8以及图9所示，本发明提供了一种可重构天线，包括由间隙波导实现的腔体、定位孔3、控制电路控制线5、辐射槽6、腔体加载周期性结构7、短路金属过孔8、开关二极管9、扼流电感10、隔直电容11、空气间隙14以及同轴馈电15；

所述腔体加载周期性结构7位于所述腔体内，所述定位孔3、控制电路控制线5、短路金属过孔8、开关二极管9以及同轴馈电15均位于所述腔体上，所述扼流电感10以及隔直电容11均刻蚀在腔体的金属层上，所述辐射槽6刻蚀在腔体上，所述空气间隙14为腔体中的间隙；所述腔体包括底层间隙波导金属2、间隙波导周期性结构4以及顶层基板1，且所述底层间隙波导金属2与顶层基板1不接触；所述间隙波导周期性结构4位于底层间隙波导金属2与顶层基板1中间，所述定位孔3贯穿于顶层基板1；所述顶层基板1的底层金属13为开槽的金属，所述间隙波导周期性结构4与顶层基板1组成了间隙波导；所述短路金属过孔8位于顶层基板1上，通过顶层金属12穿过顶层基板1与底层金属13连接，所述同轴馈电15位于底层间隙波导金属2上；所述底层金属13与间隙波导周期性结构4之间的空气间隙14为0.5mm的间隙，通过四个角的塑料支撑柱支撑；所述空气间隙14为底层金属13与腔体的间隙；所述控制电路控制线5和开关二极管9均位于所述顶层基板1的顶层金属12上，所述扼流电感10、隔直电容11以及辐射槽6刻蚀顶层金属12；所述顶层基板1上刻蚀了九对槽，每一对槽在一个电场最强的位置两边对称分布。

本实施例中，本发明基于间隙波导的开槽高阶模背腔天线，实现了在一定频段内稳定的多种波束切换。传统的开槽高阶模背腔天线很难实现波束可重构，主要原因是很难对这类天线的结构进行可重构，除此之外，开槽高阶模背腔天线一般使用传统波导腔体，直流偏置电路在传统波导腔体上很难与射频电路隔离开来。本发明基于间隙波导来实现腔体的设计，间隙波导上层金属和下方腔体不接触，中间有一个0.5mm的间隙，通过四个角的塑料支撑柱支撑。因此直流电路和下方的射频结构没有电接触，直流偏置电路很好设计。相比于传统的可重构1bit超表面天线，本发明的可重构天线馈电简单，使用一个同轴线SMA接头来实现激励一个高阶模腔体，利用高阶模的模式天然实现180deg的相位差，在每个电场最强处设置两个槽，通过控制两个槽的通断，实现了1bit的控制。本发明采用了TE330模，共有9对18个槽。

本实施例中，腔体是由间隙波导实现的，间隙波导包括有底层间隙波导金属2、间隙波导周期性结构4和顶层基板1，间隙波导结构示意图如示意图4所示。顶层基板的底层金属13是开槽的金属，顶层基板的顶层金属12是开关二极管和控制电路。间隙波导周期性结构4实现了一个等效的PMC表面和上层基板的金属层组成了间隙波导，屏蔽了电磁波能量。如图5所示，图中，左侧图中，第一理想电导体与第一理想磁导体之间空气间隙小于四分之波长，电磁波无法传播。右侧图中，第一理想电导体与理想磁导体和第二理想电导体之间的空气间隙小于四分之波长，电磁波沿着电导体传播。电磁波能量只能沿着底层的第二理想电导体传播，因此间隙波导上下即使有空气间隙，电磁波能量也不会泄露。间隙波导腔体内部加载的腔体加载周期性结构7高度较低，是为了等效为介质加载，减小腔体尺寸，拓展带宽。波束可重构主要原理如下，以高阶模TE330模为例：

TE330模电场相位分布如图1所示，在每个电场最强处开两个槽，这一对槽工作时选择一个被开关短路掉，相当于没开槽，这样通过选择槽的开关就实现了180deg的相位选择，如图2所示，槽共有6列三行，假设二极管短路后，显示为黑色，开路显示为白色，不同方向图会有不同的真值表，如图3所示。

本实施例中，如图9所示，短路金属过孔8位于顶层基板1上，控制电路控制线5和开关二极管9均位于顶层金属12上，扼流电感10、隔直电容11以及辐射槽6刻蚀在顶层金属12上。通过控制开关二极管9的通断，来控制辐射槽6是否工作。当控制电路控制线5上加高电平时，开关二极管9导通，辐射槽6中间被短路，辐射槽6将不辐射，当控制电路控制线5上不加电压时，开关二极管9断开，辐射槽6辐射。

不同的开关状态可以实现不同的波束，为了保证有一定的工作带宽，本发明实施例以13.75-14.25GHz为工作频段，在此频段内天线的方向图保持稳定并且|S11|<-10dB。以TE330模的背腔开槽天线为辐射源，可以在一定频段内实现稳定的9种辐射状态。

本发明可以将TE330模的开槽高阶模背腔天线看作一个3*3的阵列，每一对槽可以看作一个天线单元，每一对槽分别具有180deg的相差，调整每一对槽的通断相当于调整3*3阵列的没个天线的馈电相位，但馈电相位只有0deg和180deg两种状态。通过改变每个单元的馈电相位可以调整整个阵列的方向图。

Claims (1)

1.一种可重构天线，其特征在于，包括由间隙波导实现的腔体、定位孔（3）、控制电路控制线（5）、辐射槽（6）、腔体加载周期性结构（7）、短路金属过孔（8）、开关二极管（9）、扼流电感（10）、隔直电容（11）、空气间隙（14）以及同轴馈电（15）；

所述腔体加载周期性结构（7）位于所述腔体内，所述定位孔（3）、控制电路控制线（5）、短路金属过孔（8）、开关二极管（9）以及同轴馈电（15）均位于所述腔体上，所述扼流电感（10）以及隔直电容（11）均刻蚀在腔体的金属层上，所述辐射槽（6）刻蚀在腔体上，所述空气间隙（14）为腔体中的间隙；

所述腔体包括底层间隙波导金属（2）、间隙波导周期性结构（4）以及顶层基板（1），且所述底层间隙波导金属（2）与顶层基板（1）不接触；所述间隙波导周期性结构（4）位于底层间隙波导金属（2）与顶层基板（1）中间，所述定位孔（3）贯穿于顶层基板（1）；

所述顶层基板（1）的底层金属（13）为开槽的金属，所述间隙波导周期性结构（4）与顶层基板（1）组成了间隙波导；

所述短路金属过孔（8）位于顶层基板（1）上，通过顶层金属（12）穿过顶层基板（1）与底层金属（13）连接，所述同轴馈电（15）位于底层间隙波导金属（2）上；所述底层金属（13）与间隙波导周期性结构（4）之间的空气间隙（14）为0.5mm的间隙，通过四个角的塑料支撑柱支撑；所述空气间隙（14）为底层金属（13）与腔体的间隙；

所述控制电路控制线（5）和开关二极管（9）均位于所述顶层基板（1）的顶层金属（12）上，所述扼流电感（10）、隔直电容（11）以及辐射槽（6）均刻蚀在顶层金属（12）上；

所述顶层基板（1）上刻蚀了九对槽，每一对槽在一个电场最强的位置两边对称分布。