CN116979277A - 一种小型化方向图可重构介质谐振天线 - Google Patents

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陈梦龙
陈丰恺
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Abstract

本发明提出了一种小型化方向图可重构介质谐振天线，包括介质谐振器、4个金属寄生贴片、2个金属馈电贴片、金属地和包含有馈电网络的介质基板；每片金属寄生贴片通过若干金属化通孔穿过介质谐振器与连接金属底连接。金属贴片构成一个可切换的电偶极子二元阵列，介质谐振器的TE111被激励，等效为一个磁偶极子。互补的电偶极子阵列与磁偶极子构成带有双模响应的磁电偶极子，并形成定向辐射，合成的方向图辐射方向保持不变，但波束宽度增加。通过设置馈电网络上PIN二极管的导通/断开状态，介质谐振天线可以得到三种辐射模式。本天线在工作频带内能实现稳定的辐射方向图，具有小尺寸、低剖面、宽频带的特点。

Description

一种小型化方向图可重构介质谐振天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种小型化方向图可重构介质谐振天线。
背景技术
方向图可重构天线能扩大辐射覆盖范围、抑制噪声干扰、克服多径效应，有利于提升无线通信系统的性能。波束扫描的方向图可重构天线可实现相控阵的功能，但相比于后者，方向图可重构天线仅用单元即可实现广角波束切换，集成度更高，有利于减小系统的复杂度，在无线通信领域中具有广阔的应用前景。
具有方向图可重构特性的微带贴片天线在过去若干年中得到了大量研究。最常见的一类实现贴片天线方向图可重构的方法是在辐射贴片附近布置具有引向器或反射器功能的寄生结构。第二种方法是通过激励不同辐射口径而获得不同方向的辐射波束，多被应用于方向图可重构端射天线。此外，改变馈电点以激励不同模式和基于阵列理论实现方向图可重构的方法也被应用。然而，微带贴片天线因其固有的导体损耗，其效率往往较低。
介质谐振天线因其自身损耗低、辐射效率高、易于激发等特点，近年来被逐渐应用于方向图可重构天线的设计。利用液体介质的流动性对天线波束进行调控是一种有效手段，但作为一种机械调控，其响应速度慢，难以满足高速通信的需求。与微带贴片天线相同，利用寄生结构实现介质谐振天线波束的电切换是一种常用的手段，但寄生结构往往位于辐射介质谐振器外部，占用了较多空间，致使天线整体结构偏大。此外，目前已设计的介质谐振天线都存在工作频带窄的不足。因此，设计一种结构紧凑、频带宽、电调控的方向图可重构介质谐振天线是一项有意义的工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有小尺寸、宽频带、高效率的方向图可重构介质谐振天线。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种小型化方向图可重构介质谐振天线，包括介质谐振器、介质基板、金属地、2块馈电贴片、4个寄生贴片、若干金属化通孔、2根金属柱、若干空气通孔以及可重构馈电网络；
馈电贴片和寄生贴片印制在介质谐振器上表面；介质谐振器置于介质基板之上；金属地印制在介质基板上表面，可重构馈电网络印制在介质基板下表面；
四个寄生贴片在介质谐振器上表面呈均匀的田字型分布；每个馈电贴片通过金属柱穿过介质谐振器和介质基板与可重构馈电网络连接；每片金属寄生贴片通过若干金属化通孔穿过介质谐振器与金属地连接；金属化通孔用于阻抗匹配的调节，从而激励起介质谐振器的TE111模式；若干空气通孔开孔于介质谐振器的一条中轴线上；
可重构馈电网络用于通过调整电流流向来控制四个寄生贴片形成电偶极子二元阵列，与金属化通孔激励起介质谐振器的等效为一个磁偶极子的TE111模式构成磁电偶极子产生双模谐振响应，从而拓宽天线的工作带宽。
具体的，介质谐振器采用陶瓷介质，印制有金属地和可重构馈电网络介质基板采用PCB板。天线整体采用PCB板、陶瓷介质和金属导体组合而成，结构简单，易于加工组装。使用高介电常数的陶瓷介质谐振器，有效减小了天线尺寸，可提升空间利用效率；同时具备较高的效率，减少能量损失。
本发明的有益效果是：介质谐振器与寄生贴片产生双模谐振响应，使得天线带宽较宽，完整地覆盖了5G-N78频段，适于5G场景下的应用。通过可重构馈电网络可实现不同方向的辐射波束，扩大了信号覆盖范围，有利于提升无线天线系统的性能。
附图说明
图1是天线结构立体图；
图2是天线结构俯视图；
图3是介质基板结构俯视图
图4是天线回波损耗仿真结果图；
图5是天线增益曲线仿真结果图；
图6是天线在φ＝90°平面归一化辐射方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种小型化方向图可重构介质谐振天线，其结构示意图如图1所示，具体包括：介质谐振器1、介质基板2、金属地3、第一馈电贴片4、第二馈电贴片5、第一寄生贴片6、第二寄生贴片7、第三寄生贴片8、第四寄生贴片9、金属柱10、金属化通孔11、空气通孔12、可重构射频电路13、偏置电路14。
介质谐振器1、介质基板2、金属地3具有相同形状与大小的表面，三者堆叠在一起，金属地3为印制在介质基板2上表面的金属贴片。
如图2所示，两个馈电贴片即第一馈电贴片4、第二馈电贴片5和四个寄生贴片即第一寄生贴片6、第二寄生贴片7、第三寄生贴片8、第四寄生贴片9印制在介质谐振器上表面。2个馈电贴片的形状与大小完全相同，4个寄生贴片的形状与大小完全相同。4个寄生贴片在介质谐振器上表面呈均匀的田字型分布。2个馈电贴片布置在4个寄生贴片内侧，以空气通孔所在的中轴线呈轴对称。2个馈电贴片也可以布置在4个寄生贴片外侧。
可重构射频电路13、四个偏置电路14印制在介质基板2的下表面。两个金属柱10一端与馈电贴片连接，另一端与可重构射频电路9的输出端连接；金属柱穿过金属地的位置处开有两个直径略大于金属柱的圆形孔，以避免与金属柱之间的电气连接。金属化通孔7一端与寄生贴片连接，另一端与金属地3连接，为圆筒状金属材质。空气通孔12位于介质谐振器1的中心轴线上。
如图1、图3所示，可重构馈电网络包括射频电路13和直流偏置电路14，射频电路包括一个Y形电路和一个匹配枝节，Y形电路上加载有三个PIN二极管(PIN1、PIN2和PIN3)，PIN1和PIN2阳极在上、阴极在下，PIN3阳极在右、阴极在左，通过切换PIN二极管的导通与断开，可以控制电流流向；四个直流偏置电路被印制在Y形电路两侧，用于控制PIN二极管的通断；电容被加载在Y形电路的电流输入端口，以防止控制PIN二极管的直流电泄漏。
可重构馈电网络包括可重构射频电路13、直流偏置电路14印制在介质基板下表面，两个金属柱10分别将射频电路13的两个输出端和两个馈电贴片连接起来，起到传输信号的作用。信号能量经可重构馈电网络、金属柱传递给馈电贴片，再耦合给寄生贴片，被激励的寄生贴片与未被激励的寄生贴片构成类八木天线的电偶极子二元阵列。金属化通孔11分为四组，每组的一端连接着寄生贴片，另一端与金属地10连接，寄生贴片将得到的能量传递给金属化通孔11，进而激励起介质谐振器1的TE111工作模式，得到一个等效磁偶极子。互补的等效磁偶极子和等效电偶极子构成具有双模谐振响应的磁电偶极子。
本发明的机理为：
通过切换可重构射频电路13上三个PIN二极管15，二极管15包括PIN1、PIN2和PIN3的导通与断开，可决定第一馈电贴片4、第二馈电贴片5分别是否接收到输入信号。以PIN1和PIN3断开而PIN2导通(状态1)为例，此时第一馈电贴片4未接收到信号、第二馈电贴片5接收到信号，第二馈电贴片5将能量耦合给邻近的第三寄生贴片8、第四寄生贴片9，二者构成一个电偶极子，而未被激励的第一寄生贴片6、第二寄生贴片7起到类八木天线中引向器的作用，即四个寄生贴片组成了一个类八木天线的电偶极子二元阵列，其具有定向辐射，并在金属地3的反射作用下产生一个倾斜的定向辐射方向图。同时，金属化通孔11激励起了介质谐振器1的TE111模式，该模式可等效为一个磁偶极子，并与电偶极子构成磁电偶极子。由于电、磁偶极子的互补效应，合成的方向图辐射方向保持不变，但波束宽度增加；由于磁电偶极子的双模谐振响应，天线的工作带宽得到拓宽。当PIN1导通而PIN2和PIN3断开时(状态2)，第一寄生贴片6、第二寄生贴片7被激励并构成一个电偶极子，而未被激励的第三寄生贴片8、第四寄生贴片9构成引向器，同样得到一个磁电偶极子，该磁电偶极子与状态1中的磁电偶极子反相，因此得到一个与状态1中辐射方向对称的倾斜方向图。当PIN1、PIN2和PIN3均导通时(状态3)，四个寄生贴片均被激励，第一寄生贴片6、第二寄生贴片7构成一个电偶极子，第三寄生贴片8、第四寄生贴片9同样构成一个电偶极子，可重构射频电路13中的开路枝节实现了阻抗匹配，此时天线可看作一个二元磁电偶极子阵列，产生一个法向辐射的方向图。通过设置三个PIN二极管的通断状态，可实现方向图的可重构。
实施例
小型化方向图可重构介质谐振天线呈长方体，总体物理尺寸为
34mm×34mm×7mm，电尺寸为0.40λ0×0.40λ0×0.08λ0，λ0为中心频率对应的自由空间波长。上层介质谐振器厚度为h＝6.5mm，可选相对介电常数为10.5、损耗角正切为0.0012的TP-2板材；下层介质基板厚度为t＝0.5mm，可选相对介电常数为2.2、损耗角正切为0.001的F4BM板材。所述馈电贴片长度为l1＝11mm，宽度为w1＝2.45mm，两个馈电贴片之间的间距为空气通孔的直径d1＝1mm，两相邻空气通孔之间的距离为s1＝2.5mm；所述寄生贴片的长度为l2＝9.85mm，宽度为w2＝6.7mm，馈电贴片与邻近的寄生贴片之间的间距为g1＝0.7mm，同一侧两寄生贴片之间的间距为g2＝1.4mm。所述金属化通孔的直径为d2＝1mm，两相邻金属化通孔之间的距离为s2＝2.5mm。所述两个金属柱的直径为d3＝1mm，分别位于两个馈电贴片的一端。所述可重构射频电路中的开路枝节长度为l3＝5.5mm，其与Y形电路中心节点相距l4＝4.6mm。所述PIN二极管可选用型号为SMP1345040LF的PIN二极管，所述电容的容值可选用10pF。
上述尺寸均为经过计算及优化后的特定尺寸，如尺寸变化，实施例的性能会恶化。
对其进行仿真测试，在仿真结果图4、图5和图6中，状态1指PIN1和PIN3断开而PIN2导通，状态2指PIN1导通而PIN2和PIN3断开，状态3指PIN1、PIN2和PIN3均导通，结果表明：图4是本发明实施例中天线最终结构回波损耗仿真结果图，从图中可以看出，本发明实施例天线回波损耗小于-10dB的阻抗带宽是3.28-3.82GHz(15.2％)，完整地覆盖了5G-N78频段。实施例的天线在工作频带3.28GHz-3.82GHz(15.2％)内能实现稳定的辐射方向图，具有小尺寸、低剖面、宽频带的特点。。图5是本发明实施例中天线最终结构增益曲线仿真结果图，可以看到，三种状态的峰值增益分别达到了5.3dBi，5.3dBi和5.8dBi，每种状态在工作频带内的增益变化小于1dB。图6是本发明实施例中天线最终结构在φ＝90°平面归一化辐射方向图，可以看到，该天线可以在-32°，0°和32°之间实现切换，有效扩大了信号覆盖范围，同时，方向图在整个工作频带内保持稳定。
由此可见，本发明的方向图可重构介质谐振天线具有小尺寸、宽频带、高效率的性能。

Claims (6)

1.一种小型化方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，包括介质谐振器、介质基板、金属地、2块馈电贴片、4个寄生贴片、若干金属化通孔、2根金属柱、若干空气通孔以及可重构馈电网络；
馈电贴片和寄生贴片印制在介质谐振器上表面；介质谐振器置于介质基板之上；金属地印制在介质基板上表面，可重构馈电网络印制在介质基板下表面；
四个寄生贴片在介质谐振器上表面呈均匀的田字型分布；每个馈电贴片通过金属柱穿过介质谐振器和介质基板与可重构馈电网络连接；每片金属寄生贴片通过若干金属化通孔穿过介质谐振器与金属地连接；金属化通孔用于阻抗匹配的调节，从而激励起介质谐振器的TE111模式；若干空气通孔开孔于介质谐振器的一条中轴线上；
可重构馈电网络用于通过调整电流流向来控制四个寄生贴片形成一个类八木天线的电偶极子二元阵列，与金属化通孔激励起介质谐振器的等效为一个磁偶极子的TE111模式构成磁电偶极子产生双模谐振响应，从而拓宽天线的工作带宽。
2.如权利要求1所述天线，其特征在于，可重构馈电网络包括射频电路和直流偏置电路，射频电路包括一个Y形电路，Y形电路上加载有三个PIN二极管，通过切换PIN二极管的导通与断开，可以控制电流流向；四个直流偏置电路被印制在Y形电路两侧，用于控制PIN二极管的通断；电容被加载在Y形电路的电流输入端口，以防止控制PIN二极管的直流电泄漏。
3.如权利要求1所述天线，其特征在于，2个馈电贴片布置在4个寄生贴片内侧，以空气通孔所在的中轴线呈轴对称。
4.如权利要求1所述天线，其特征在于，介质谐振器与介质基板表面的形状和大小相同，为正方形。
5.如权利要求1所述天线，其特征在于，金属柱穿过金属地的位置处开有两个直径略大于金属柱的圆形孔，以避免与金属柱之间的电气连接。
6.如权利要求1所述天线，其特征在于，介质谐振器为陶瓷介质谐振器。
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