CN117394032B - 一种基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，属于可重构天线技术领域，通过设计一个下层短路贴片，等效作为一个磁偶极子，同时设计一个能够零阶谐振的上层蘑菇型结构，等效作为一个电偶极子，两者垂直反相，实现了结构紧凑且低剖面的定向互补天线，并且布置PIN二极管，用少量二极管数量实现了定向和全向方向图可重构。本发明解决了现有可重构天线结构复杂、尺寸大、剖面高、工作带宽较窄、开关数量较多以及方向图可重构状态较少的问题，能够用于智能WiFi系统。

Description

一种基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线
技术领域
本发明属于可重构天线技术领域，具体涉及一种基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线。
背景技术
随着5G和物联网通信的全面部署，各种综合信息系统正发展向大容量、多功能、超宽带等重多方向，各平台所搭载的子系统数量随之增加。而作为无线系统中信息传送的通道，天线的数量也大规模增加。从降低成本、减小互扰和实现良好的电磁兼容特性等方面来看，通信系统需要高性能多功能的可重构天线。可重构天线，即多个天线共用一个物理口径，意在采用机械或电可调的方式，动态改变天线的物理结构或电流分布，使其具有多个天线的功能。天线的辐射方向图可重构，包括波束宽度可调、波束辐射方向可调或可扫描、全向和定向辐射的切换等。
传统电控实现方向图可重构的天线，主要有相控阵、多端口多波束天线和加载电子元件(开关二极管、变容管和MEMS开关等)的可重构天线。相控阵天线，是实现高增益方向图扫描的经典方法，但存在着馈电网络中的移相器等部件的价格昂贵和系统成本高的问题，且馈电系统的性能随工作环境的变化伴有非线性现象。多波束多端口天线，需要布设多个天线端口以及前端相配的开关控制电路，存在尺寸大、工作带宽窄等问题。在天线上加载电可调控器件，如可变电容、射频开关（MEMS开关、MESFET开关、PIN二极管）、石墨烯或者液态金属等，则需要综合考虑可调器件本身对天线辐射效率等造成的影响。
电磁互补原理是一种典型的设计定向天线的方法，即建立一对相互垂直摆放的等效磁偶极子和等效电偶极子，两者相位差180°，两者辐射方向图叠加实现高前后比定向辐射。但是目前互补天线大多选择构建立立体式结构的磁偶极子，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、开关数量较多而方向图可重构状态较少等缺点。
发明内容
本发明提供了一种基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，解决了现有可重构天线结构复杂、尺寸大、剖面高、工作带宽较窄、开关数量较多以及方向图可重构状态较少的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，包括下层PCB基板、上层PCB基板、空气层、同轴线内导体、同轴线外导体、第一金属层、第二金属层、一排短路金属通孔、三个金属贴片、三个金属探针以及三个PIN二极管；
所述下层PCB板的上表面印刷第一金属层；所述下层PCB板的下表面印刷第二金属层；所述上层PCB基板的上表面印刷三个金属贴片；每个所述金属探针的一端焊接在一个金属贴片的中心，其另一端焊接在下层PCB板上表面的第一金属层上；所述下层PCB基板与上层PCB基板之间为空气层；所述同轴线内导体连接在下层PCB板上表面的第一金属层上；所述同轴线外导体连接在下层PCB板下表面的第二金属层上；每个所述金属贴片的中心处嵌入一个PIN二极管；所述下层PCB基板设置有一排短路金属通孔。
进一步地，所述下层PCB基板、第一金属层、第二金属层以及一排短路金属通孔组成下层短路贴片。
进一步地，所述上层PCB基板、三个金属贴片、三个金属探针以及三个PIN二极管组成上层蘑菇型结构。
进一步地，所述下层短路贴片和上层蘑菇型结构垂直反相。
进一步地，所述下层短路贴片的激励为磁偶极子，所述上层蘑菇型结构的激励为电偶极子。
进一步地，所述空气层用于上层蘑菇型结构的耦合馈电和调整阻抗匹配。
进一步地，所述馈电方式为同轴馈电。
进一步地，所述三个PIN二极管用于控制三个金属探针和三个金属贴片的导通和断开，从而控制两种辐射模式。
进一步地，所述三个PIN二极管导通时，将产生x轴方向的定向辐射。
进一步地，所述三个PIN二极管断开时，将产生全向辐射。
本发明的有益效果是：（1）本发明通过设计一个下层短路贴片，类似于半模基片集成波导，等效作为一个磁偶极子，又设计一个上层蘑菇型结构，等效作为一个电偶极子，且两者垂直反相，实现了结构紧凑且低剖面的定向互补天线。
（2）本发明布置PIN二极管，用较少的二极管数量实现了定向和全向方向图可重构。
（3）本发明的天线，全部由PCB板组成，成本低且结构简单，只需印刷金属片和金属打孔，易于组装和量产。
（4）本发明集成了一对辐射体，基于互补原理，解决了传统电磁偶极子天线的磁偶极子和电偶极子辐射元的设计单一化的问题。
（5）本发明的天线采用同轴馈电，实现了不同状态下的良好阻抗匹配。
附图说明
图1为本发明基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线的结构图。
图2为本发明可重构天线下层短路贴片的3D视图。
图3为本发明可重构天线上层蘑菇型结构的3D视图。
图4为本发明下层短路贴片的电场分布图。
图5为本发明上层蘑菇型结构的磁场分布图。
图6为本发明仿真的定向和全向辐射的S参数。
图7为本发明仿真的定向和全向辐射在φ=0°平面的方向图。
其中，1-下层PCB基板，2-上层PCB基板，3-空气层，4-同轴线内导体，5-同轴线外导体，6-第一金属层，7-第二金属层，8-短路金属通孔，9-金属贴片，10-金属探针，11-PIN二极管。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
实施例
如图1~图3共同所示，本发明提供了一种基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，包括下层PCB基板1、上层PCB基板2、空气层3、同轴线内导体4、同轴线外导体5、第一金属层6、第二金属层7、一排短路金属通孔8、三个金属贴片9、三个金属探针10以及三个PIN二极管11；
所述下层PCB基板1的上表面印刷第一金属层6；所述下层PCB基板1的下表面印刷第二金属层7；所述上层PCB基板2的上表面印刷三个金属贴片9；每个所述金属探针10的一端焊接在一个金属贴片9的中心，其另一端焊接在下层PCB基板1上表面的第一金属层6上；所述下层PCB基板1与上层PCB基板2之间为空气层3；所述同轴线内导体4连接在下层PCB基板1上表面的第一金属层6上；所述同轴线外导体5连接在下层PCB基板1下表面的第二金属层7上；每个所述金属贴片9的中心处嵌入一个PIN二极管11；所述下层PCB基板1设置有一排短路金属通孔8。
所述下层PCB基板1、第一金属层6、第二金属层7以及一排短路金属通孔8组成下层短路贴片。
所述上层PCB基板2、三个金属贴片9、三个金属探针10以及三个PIN二极管11组成上层蘑菇型结构。
所述下层短路贴片和上层蘑菇型结构垂直反相。
所述下层短路贴片的激励为磁偶极子，所述上层蘑菇型结构的激励为电偶极子。
所述空气层3用于上层蘑菇型结构的耦合馈电和调整阻抗匹配。
所述馈电方式为同轴馈电。
所述三个PIN二极管11用于控制三个金属探针10和三个金属贴片9的导通和断开，从而控制两种辐射模式。
所述三个PIN二极管11导通时，将产生x轴方向的定向辐射。
所述三个PIN二极管11断开时，将产生全向辐射。
本实施例中，所提出的天线由图2所示的下层短路贴片(等效为一个半模基片集成波导)和图3所示的上层蘑菇型结构组成，分别激励为磁偶极子和电偶极子。
如图2所示，下层短路贴片由下层PCB基板1上表面印刷的第一金属层6、下层PCB基板1下表面印刷的第二金属层7和一排短路金属通孔8组成。在短路贴片开口处激励起沿z轴的电场，如图4所示，故等效为y轴放置的磁偶极子。
如图3所示，上层蘑菇型结构由三个金属贴片9和三个金属探针10构成，其中金属探针穿过空气层3直接连接在下层PCB基板1的第一金属层6上。此外，还包括有三个PIN二极管11，用来控制两种辐射模式。该上层蘑菇型结构靠近下层短路贴片的开口，通过调节合适的空气层3的高度来激励起辐射电流。
图2所示的下层短路贴片的电场分布如图4，由此判断短路贴片可等效为一个y轴方向的磁偶极子，而图3所示的蘑菇结构在三个PIN二极管11导通时，每个金属探针10分别和对应的金属贴片9连接，经过空气层3的场耦合，上层蘑菇型结构的零阶谐振被激发，形成等效磁流环如图5所示，故将其视为z轴放置的电偶极子。
将沿y轴的磁偶极子和沿z轴的电偶极子组合，将实现沿x轴的定向辐射。当三个PIN二极管11都导通，三个金属贴片9分别和其对应的金属探针10分别连接，上层蘑菇型结构将等效电偶极子并参与辐射，最终产生定向辐射方向图。当三个PIN二极管11都断开，三个金属贴片9和其对应的金属探针10均不连接，上层蘑菇型结构被破坏，将不能被耦合能量，不参与辐射，此时只有下层短路贴片被激励，最终产生全向辐射方向图。
图6为本发明仿真|S 11|参数，从图6可以看出定向和全向两种辐射模式覆盖2.40-2.48GHz频段。如图7所示，在定向辐射状态下，具有高前后比的特性，而在全向辐射状态下，也具有和定向辐射相近的稳定增益。
由此可见，本发明的天线具有方向图增益稳定以及低剖面等优点，适合被应用于智能WiFi系统，解决了传统互补天线，如磁电偶极子天线的磁偶极子剖面高、结构复杂以及辐射方向单一的问题，并且解决了垂直反相电偶极子的剖面高以及结构不紧凑的问题。

Claims (10)

1.一种基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，其特征在于，包括下层PCB基板（1）、上层PCB基板（2）、空气层（3）、同轴线内导体（4）、同轴线外导体（5）、第一金属层（6）、第二金属层（7）、一排短路金属通孔（8）、三个金属贴片（9）、三个金属探针（10）以及三个PIN二极管（11）；
所述下层PCB基板（1）的上表面印刷第一金属层（6）；所述下层PCB基板（1）的下表面印刷第二金属层（7）；所述上层PCB基板（2）的上表面印刷三个金属贴片（9）；每个所述金属探针（10）的一端焊接在一个金属贴片（9）的中心，其另一端焊接在下层PCB基板（1）上表面的第一金属层（6）上；所述下层PCB基板（1）与上层PCB基板（2）之间为空气层（3）；所述同轴线内导体（4）连接在下层PCB基板（1）上表面的第一金属层（6）上；所述同轴线外导体（5）连接在下层PCB基板（1）下表面的第二金属层（7）上；每个所述金属贴片（9）的中心处嵌入一个PIN二极管（11）；所述下层PCB基板（1）设置有一排短路金属通孔（8）。
2.根据权利要求1所述的基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，其特征在于，所述下层PCB基板（1）、第一金属层（6）、第二金属层（7）以及一排短路金属通孔（8）组成下层短路贴片。
3.根据权利要求2所述的基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，其特征在于，所述上层PCB基板（2）、三个金属贴片（9）、三个金属探针（10）以及三个PIN二极管（11）组成上层蘑菇型结构。
4.根据权利要求3所述的基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，其特征在于，所述下层短路贴片和上层蘑菇型结构垂直反相。
5.根据权利要求4所述的基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，其特征在于，所述下层短路贴片的激励为磁偶极子，所述上层蘑菇型结构的激励为电偶极子。
6.根据权利要求1所述的基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，其特征在于，所述空气层（3）用于上层蘑菇型结构的耦合馈电和调整阻抗匹配。
7.根据权利要求6所述的基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，其特征在于，所述馈电方式为同轴馈电。
8.根据权利要求1所述的基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，其特征在于，所述三个PIN二极管（11）用于控制三个金属探针（10）和三个金属贴片（9）的导通和断开，从而控制两种辐射模式。
9.根据权利要求8所述的基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，其特征在于，所述三个PIN二极管（11）导通时，将产生x轴方向的定向辐射。
10.根据权利要求9所述的基于互补原理的定向和全向方向图可重构天线，其特征在于，所述三个PIN二极管（11）断开时，将产生全向辐射。
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