CN116960630B - 一种基于互补原理的方向图可重构微带线天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于互补原理的方向图可重构微带线天线，它包括介质基板，在介质基板的上下表面分别各印制有一Z形环，且位于介质基板下表面的Z形环的印制位置由位于介质基板上表面的Z形环顺时针旋转90°得到，在Z形环中间的开口处设置有一辐射壁，在辐射壁的两端通过PIN二极管各连接有一折叠枝节，位于介质基板上下表面的两个辐射壁垂直且相互之间形成四个电偶极子；馈电同轴线内外导体分别焊接在介质基板上下表面的Z形环上，在馈电同轴线外壳上加载有一套筒巴伦。本发明基于互补原理，利用印刷微带结构等效出了磁流元和电流元，产生了高前后比和低交叉极化的可重构端射定向辐射方向图，且辐射效率稳定，整体结构紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种弄基于互补原理的方向图可重构微带线天线。
背景技术
现代无线通信系统越来越集成化与复杂化，对小型和多功能天线提出要求，以此减少多天线系统的成本和电磁兼容问题，实现更高的数据传输速率和更智能、更高效的通信服务。可重构天线可根据不同应用场景来切换工作模式，使得单一天线以更低成本和更小空间实现了多天线功能，同时规避了多天线系统中的互扰问题，这一特点很好的顺应了现代通信需求。电控可重构天线，通过在天线上加载可调控器件，改变辐射体表面的电流分布，以此实现功能可调。目前可重构天线主要包括频率、极化和辐射方向的调控。其中，方向图可重构天线指的是在固定工作频率和极化方式的条件下，根据环境需求的实现不同辐射方向图状态的天线。
电控方向图可重构天线的实现方法有以下几种：（1）在辐射体上加载开关或变容管，选择激励不同的辐射结构；（2）在馈电网络上加载开关，改变天线的馈电状态；（3）对天线进行模式分析；（4）结合超表面和算法；（5）利用特殊电磁材料，如石墨烯，液态金属等。此外，端射的方向图可重构天线最常用的设计方法主要有两种，一种是八木天线原理，另一种是互补天线原理。
通过调节馈电网络来实现的方向图可重构的天线结构一般较为复杂，设计和操作难度比较大；借助超表面或模式分析的天线，在设计上需要较繁琐的算法或优化过程，且需要较多开关。可重构八木天线，通过在主辐射元附近布置可选择激励的反射器和引向器，使得辐射方向沿轴向的不同角度偏转，但是会带来较大的天线尺寸，不利于小型化设计，此外寄生贴片也会影响主激励贴片的辐射性能；而现有的基于互补原理的天线，大多选择构建立式结构的磁偶极子，一方面导致天线结构不够低剖面和小型化，另一方面将引起方向图重构这一特性的设计灵活度不高。总言之，目前大多方向图可重构天线存在着天线结构复杂、尺寸大、剖面高、工作带宽较窄、开关数量多和方向图可重构状态较少等缺点。
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
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于互补原理的方向图可重构微带线天线，解决了现有技术存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于互补原理的方向图可重构微带线天线，它包括介质基板，在介质基板的上下表面分别各印制有一Z形环，且位于介质基板下表面的Z形环的印制位置由位于介质基板上表面的Z形环顺时针旋转90°得到，在Z形环中间的开口处设置有一辐射壁，在辐射壁的两端通过PIN二极管各连接有一折叠枝节，折叠枝节与辐射壁垂直，位于介质基板上下表面的两个辐射壁垂直且相互之间形成四个电偶极子；馈电同轴线内导体焊接在介质基板上表面的Z形环上，馈电同轴线外导体焊接在介质基板下表面的Z形环上，在馈电同轴线外壳上加载有一套筒巴伦。
位于介质基板上下表面的两个Z形环的四条支路被激励，形成均匀环电流，等效为一个磁偶极子且与电偶极子之间存在90°的相位差。
两个辐射壁之间相互垂直形成十字型结构，在十字型结构的四个直角之间配合PIN二极管连接的折叠枝节各形成一个电偶极子，通过控制对应PIN二极管的开闭状态选择是否激励对应的电偶极子，进而改变天线辐射结构的电流分布并控制波束指向。
本发明具有以下优点：一种基于互补原理的方向图可重构微带线天线，采用平面印刷PCB板结构，成本低，具有低剖面和小型化特性，基于互补原理，利用印刷微带结构等效出了磁流元和电流元，产生了高前后比和低交叉极化的可重构端射定向辐射方向图，且辐射效率稳定，整体结构紧凑，共集成四对辐射体，在φ平面实现了空间角间隔90°的四种定向辐射方向图状态，在天线中心点采用同轴馈电，实现了不同状态下的良好阻抗匹配。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为介质基板上的结构示意图；
图3为Z形环的结构示意图；
图4为电偶极子的位置示意图；
图5为PIN二极管开关的位置示意图；
图6为阻抗匹配曲线示意图；
图7为最大增益曲线示意图；
图8为在θ=90°平面状态为1和3的辐射方向图；
图9为在θ=90°平面状态为2和4的辐射方向图；
图10为在 φ=45°平面状态1和 φ=255°平面状态3的辐射方向图；
图11为在 φ=135°平面状态2和 φ=315°平面状态4的辐射方向图；
图中：1-介质基板，2-电偶极子，21-电偶极子Ⅰ，22-电偶极子Ⅱ，23-电偶极子Ⅲ，24-电偶极子Ⅳ，3-Z形环，4-馈电同轴线内导体，5-PIN二极管（PIN1、PIN2、PIN3和PIN4），6-馈电同轴线外导体，7-套筒巴伦，8-辐射壁，9-折叠枝节，10-支路（L1、L2、L3和L4）。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1和图2所示，本发明具体涉及一种基于互补原理的方向图可重构微带线天线，它包括介质基板1，在介质基板1的上下表面分别各印制有一Z形环3，且位于介质基板1下表面的Z形环3的印制位置由位于介质基板1上表面的Z形环3顺时针旋转90°得到，在Z形环3中间的开口（G1、G2、G3和G4）处设置有一辐射壁8，在辐射壁8的两端通过PIN二极管5各连接有一折叠枝节9，折叠枝节9与辐射壁8垂直，位于介质基板1上下表面的两个辐射壁8垂直且相互之间形成四个电偶极子2；通过50Ω的馈电同轴线进行馈电，馈电同轴线内导体4焊接在介质基板1上表面的Z形环3上，馈电同轴线外导体6焊接在介质基板1下表面的Z形环3上，由于天线没有较大的地板结构，为了平衡馈电线上的寄生电感，因此需要在馈电同轴线外壳上加载一四分之一波长的套筒巴伦7。
位于介质基板1上下表面的两个Z形环3的四条支路10被激励，形成均匀环电流，等效为一个磁偶极子且与电偶极子之间存在90°的相位差。
进一步地，如图3所示，两个Z形环3的四条支路2分别为L1、L2、L3和L4，其均被激励，形成均匀环电流，相当于一个磁偶极子。结合Z形环3的位置，为了将四个电偶极子2集成在有限空间内，原本正负极相对位置为180°的传统印刷偶极子，在本发明中被设计为折叠角90°。
如图4所示，两个辐射壁8之间相互垂直形成十字型结构，在十字型结构的四个直角之间配合PIN二极管5连接的折叠枝节9各形成一个电偶极子2，通过控制对应PIN二极管5的开闭状态选择是否激励对应的电偶极子2，进而改变天线辐射结构的电流分布并控制波束指向。 四个小型化的电偶极子2（电偶极子Ⅰ21、电偶极子Ⅱ22、电偶极子Ⅲ23、电偶极子Ⅳ24）被集成在Z形环3的开口G1、G2、G3和G4处，其中，该四个印刷电偶极子的放置位置为依次旋转90°。
如图5所示，四个PIN开关二极管5分别为PIN1、PIN2、PIN3和PIN4，其被加载在电偶极子2的主要辐射壁8上，两个Z形环3的四条支路10包括L1、L2、L3和L4被激励，形成均匀环电流，相当于一个磁偶极子。因此，沿坐标z轴的磁偶极子始终处于激励状态，而电偶极子由PIN二极管选择是否激励，改变了天线辐射结构的电流分布并控制波束指向。例如，当PIN 1和PIN 2闭合而PIN 3和PIN 4断开，此时电偶极子Ⅰ21将被激励，而其余三个电偶极子将不参与工作，该方向的电偶极子和环电流等效的磁偶极子组合，将产生方向φ=45°的定向辐射模式。本发明天线的不同辐射状态下，开关使用情况和定向辐射角度如下表1所示。
表1 开关使用情况和定向辐射角度对照表
| 状态 | PIN 1 | PIN 2 | PIN 3 | PIN 4 | 辐射方向 |
| 状态1 | 闭合 | 闭合 | 断开 | 断开 | φ=45° |
| 状态2 | 断开 | 闭合 | 闭合 | 断开 | φ=135° |
| 状态3 | 断开 | 断开 | 闭合 | 闭合 | φ=225° |
| 状态4 | 闭合 | 断开 | 断开 | 闭合 | φ=315° |
如图6为本发明的阻抗匹配曲线，设计在 2.4 GHz左右；如图7为本发明的增益曲线图，在工作频点内的最大增益大于 3 dBi；如图8-11为本发明的辐射方向图。从结果上来看，本发明提供的天线具有高前后比和增益稳定的特性，同时天线的辐射方向可重构性能较为优异，每个状态间隔90°的空间角，实现了在 φ 平面的360°全覆盖。
本发明应用简化的Z形Alford环，为后续集成额外的电偶极子提供更大自由度。结合Z形环的位置，为了将四个电偶极子2集成在有限空间内，原本正负极相对位置为180°的传统印刷偶极子，在本发明中被设计为折叠角90°。沿坐标z轴的磁偶极子始终处于激励状态，而电偶极子2由PIN二极管5选择以控制波束指向。本发明的“Z”形环电流与电偶极子2之间存在90°相位差，再加上环电流等效磁偶极子固有的90°相位差，最终满足互补天线原理的电偶极子和磁偶极子相位差180°的等幅反相激励。因此本发明能实现良好的可重构端射性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于互补原理的方向图可重构微带线天线，其特征在于：它包括介质基板（1），在介质基板（1）的上下表面分别各印制有一Z形环（3），且位于介质基板（1）下表面的Z形环（3）的印制位置由位于介质基板（1）上表面的Z形环（3）顺时针旋转90°得到，在Z形环（3）中间的开口处设置有一辐射壁（8），在辐射壁（8）的两端通过PIN二极管（5）各连接有一折叠枝节（9），折叠枝节（9）与辐射壁（8）垂直，位于介质基板（1）上下表面的两个辐射壁（8）垂直且相互之间形成四个电偶极子（2）；馈电同轴线内导体（4）焊接在介质基板（1）上表面的Z形环（3）上，馈电同轴线外导体（6）焊接在介质基板（1）下表面的Z形环（3）上，在馈电同轴线外壳上加载有一套筒巴伦（7）；
位于介质基板（1）上下表面的两个Z形环（3）的四条支路（10）被激励，形成均匀环电流，等效为一个磁偶极子且与电偶极子之间存在90°的相位差。
2.根据权利要求1所述的一种基于互补原理的方向图可重构微带线天线，其特征在于：两个辐射壁（8）之间相互垂直形成十字型结构，在十字型结构的四个直角之间配合PIN二极管（5）连接的折叠枝节（9）各形成一个电偶极子（2），通过控制对应PIN二极管（5）的开闭状态选择是否激励对应的电偶极子（2），进而改变天线辐射结构的电流分布并控制波束指向。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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