CN117423983A - 一种可重构锥状波束天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重构锥状波束天线。所述天线包括从上至下顺次层叠的上介质板、空气腔、中间介质板以及下介质板;本发明的目的是利用三个异构改进型倒F天线,其天线馈电的数量可控且能够实现较好的锥状波束。在天线工作时,可以先对某一的角度实现该角度的周向全向性,当目标不同时可以通过开关来实现波束角度的改变、从而更好的跟踪天线。
Description
技术领域
本发明涉及微电子天线领域,尤其涉及一种可重构锥状波束天线。
背景技术
锥状波束天线在车载卫星通信、弹载探测系统等诸多民用和军用领域有着广泛的应用,是通信、探测制导等应用中射频系统的关键技术之一。目前在圆极化、宽带、大倾角和可重构锥状波束天线的实现及其方向图综合等方面都面临诸多挑战。阵列天线为锥状波束天线中的一个重要组成部分。本文主要研究在天线辐射为锥状波束的情况下实现宽带、高增益、低副瓣、波束可控。
天线作为射频系统的重要前端不见,在不同应用场景需要具备不同的特性。锥状波束天线其只有周向存在全向性,其能量集中在一个相对较小的俯仰角范围内,能够满足卫星通讯中对增益和波束跟踪的要求。与相控阵相比具有较高的性价比,广泛应用在卫星通信、室内WLAN、引信和导弹系统中。
天线工作时,对于移动的近地天线或者是在某一块区域行动的车辆来说、锥状波束天线可以使其能量集中在某一个相对较小的俯仰角范围之中、既能够满足卫星通讯对增益和波束跟踪的要求又相较于相控阵有较高的性价比。
目前已有方案中,采用三个环形倒F天线组成阵列实现天线的高增益和低副瓣。未能实现可重构(K.Wu,S.Liao,W.Che and Q.Xue,"A Compact Planar Conical Beam ArrayAntenna,"2020IEEE MTT-S International Wireless Symposium(IWS),Shanghai,China,2020,pp.1-3,doi:10.1109/IWS49314.2020.9359951.)。
发明内容
本发明的目的是利用三个异构改进型倒F天线,其天线馈电的数量可控且能够实现较好的锥状波束。在天线工作时,可以先对某一的角度实现该角度的周向全向性,当目标不同时可以通过开关来实现波束角度的改变、从而更好的跟踪天线。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种可重构锥状波束天线,包括从上至下顺次层叠的上介质板、空气腔、中间介质板以及下介质板;
上介质板顶部设置有从内到外三个同心的环形金属贴片,多个短路柱紧贴三个环形金属贴片的内圈设置,等效为短路墙,三个环形金属贴片中分别设置有馈电金属柱,与对应的短路柱分别构成多个倒F天线,三个环形金属贴片中对应的多个倒F天线,构成从内到外的三个环形阵元;上介质板上表面设置对应三个环形阵元中的倒F天线的调谐金属柱,实现阻抗匹配调谐的作用;
所述环形阵元可以看做成是由一个传统的矩形平面倒F天线变形为弧形平面倒F天线,再沿着中心轴按旋转角度旋转复制结合而成的环形结构,由于环形平面倒F天线是由传统的平面倒F天线演变而来,因此两者的工作原理具有相通性。由于馈点均匀分布,因此天线在环形口径上的电场均匀分布。当馈电点足够多时,环形口径上的均匀场可以近似等效为一个幅度均匀分布的磁流环,从而激发对称的锥形波束。
下介质板上表面设置有金属地,下介质板底部设置有馈电网络,下介质板底部中心设置有SMA接头,SMA接头连接馈电网络;馈电网络中设置有二极管开关电路,控制最外层的环形阵元是否参与工作,从而实现天线的波束角度可重构;
调谐金属柱和短路柱贯穿上介质板和中间介质板,另一端连接金属地;馈电金属柱贯穿上介质板、中间介质板和下介质板,另一端连接馈电网络,三个环形阵元通过对应的馈电金属柱连接下介质板底部的馈电网络。
进一步地,从内到外的三个环形阵元分别为第一环形阵元、第二环形阵元和第三环形阵元;
第一环形阵元、第二环形阵元和第三环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱的数量分别为n、n和2n;n为大于等于4的偶数;
其中,n的取值通过仿真扫参根据需要的天线的谐振频率来确定。
进一步地,调谐金属柱位于环形金属贴片内,用于使对应的倒F天线所在的环形阵元,的TM0,1/2和TM2,1/2两个模式的谐振频率尽可能靠近需要的谐振频率,产生2个谐振点,从而展宽天线带宽。
进一步地,设置多个紧贴三个环形金属贴片的内圈设置的短路柱,保证三个环形金属贴片的内圈皆被短路柱包裹,等效为短路墙。
进一步地,所述馈电网络包括设置在下介质板底部中心的1分n均等功分网络和个沿中心轴呈旋转对称的子馈电网络。
进一步地,所述1分n均等功分网络包括个1分2功分网络,/>个1分2功分网络的输入端口连接在一起;
个子馈电网络连接1分n均等功分网络的输出端口,即分别连接/>个1分2功分网络的输出端口。
进一步地,所述子馈电网络包括三个一分二功分器;
其中,第一一分功分器的输入端连接1分n均等功分网络的输出端口,第一一分功分器的一个输出端连接第一环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第二一分功分器的输入端,第二一分功分器的一个输出端连接第二环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第三一分功分器的输入端,第三一分功分器的两个输出端分别连接一个第三环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱。
进一步地,所述子馈电网络中,第一一分功分器的两个输出端口通过微带线绕环形连接在第一连接点处,然后从第一连接点处分出两端,一端连接第一环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第二一分功分器的输入端,第二一分功分器的两个输出端口通过微带线绕环形连接在第二连接点处,然后从第二连接点处分出两端,一端连接第二环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第三一分功分器的输入端,第三一分功分器的两个输出端分别连接一个第三环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱;
所述子馈电网络的结构关于第一连接点和第二连接点的连线轴对称。
进一步地,第二一分功分器和第三一分功分器通过二极管开关电路连接,通过实现是否给予电压来保证第三个异构环形是否参与工作,从而实现天线的波束角度可重构。
进一步地,馈电网络中的1分n均等功分网络中个1分2功分网络的输入端口均连接至下介质板底部中心设置的SMA接头。
相比与现有技术,本发明的优点在于:
1、通过增加短路钉和改变异构环形阵元的距离从而更好地实现阻抗匹配,使其有更好地工作带宽。
2、通过方向图综合的设计方法和开关来调节每一个异构阵元馈电的幅度与相位从而实现锥状波束角可重构。
3、其辐射结构和馈点结构为沿中心轴轴对称图形,在调节各个输出端口的时候可以通过其中的一部分来进行仿真,大大提高了仿真效率。
附图说明
图1为本发明实施例中一种可重构锥状波束天线的结构示意图;
图2为本发明实施例中的基本型倒F环形天线的结构示意图;
图3为本发明实施例中的一种可重构锥状波束的辐射部分的结构示意图;
图4为本发明实施例中的SMA馈电部分的结构示意图;
图5为本发明实施例中的馈电网络的结构示意图;
图6为本发明实施例中的子馈电网络的结构示意图;
图7为本发明实施例中的RLC串联电路开关的结构示意图;
图8为本发明实施例中的交指电容的结构示意图;
图9为本发明实施例中的偏置电路的结构示意图;
图10为本发明实施例中的开关闭合和断开的输入反射系数图;
图11为本发明实施例中的开关断开在频带内的真实增益图;
图12为本发明实施例中的开关闭合在频带内的真实增益图;
图13为本发明实施例中的在5GHz天线开关闭合和断开的归一化辐射方向图;
图14为本发明实施例中的在5.25GHz天线开关闭合和断开的归一化辐射方向图;
图15为本发明实施例中的在5.5GHz天线开关闭合和断开的归一化辐射方向图。
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明白,下面结合附图并举实施例,对本发明的具体实施进行详细说明。
实施例:
一种可重构锥状波束天线,如图1所示,包括从上至下顺次层叠的上介质板1、空气腔2、中间介质板3以及下介质板5;
如图2和图3所示,上介质板1顶部设置有从内到外三个同心的环形金属贴片,多个短路柱7紧贴三个环形金属贴片的内圈设置,等效为短路墙,三个环形金属贴片中分别设置有馈电金属柱8,与对应的短路柱7分别构成多个倒F天线,三个环形金属贴片中对应的多个倒F天线,构成从内到外的三个环形阵元;上介质板1上表面设置对应三个环形阵元中的倒F天线的调谐金属柱9,实现阻抗匹配调谐的作用;
所述环形阵元可以看做成是由一个传统的矩形平面倒F天线变形为弧形平面倒F天线,再沿着中心轴按旋转角度旋转复制结合而成的环形结构,由于环形平面倒F天线是由传统的平面倒F天线演变而来,因此两者的工作原理具有相通性。由于馈点均匀分布,因此天线在环形口径上的电场均匀分布。当馈电点足够多时,环形口径上的均匀场可以近似等效为一个幅度均匀分布的磁流环,从而激发对称的锥形波束。
如图4所示,下介质板5上表面设置有金属地4,下介质板5底部设置有馈电网络10,下介质板5底部中心设置有SMA接头6,SMA接头6连接馈电网络10;馈电网络10中设置有二极管开关电路,控制最外层的环形阵元是否参与工作,从而实现天线的波束角度可重构;
调谐金属柱3和短路柱1贯穿上介质板1和中间介质板3,另一端连接金属地4;馈电金属柱2贯穿上介质板1、中间介质板3和下介质板5,另一端连接馈电网络10,三个环形阵元通过对应的馈电金属柱2连接下介质板5底部的馈电网络10。
进一步地,从内到外的三个环形阵元分别为第一环形阵元、第二环形阵元和第三环形阵元;
第一环形阵元、第二环形阵元和第三环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱2的数量分别为n、n和2n;n为大于等于4的偶数;
其中,n的取值通过仿真扫参根据需要的天线的谐振频率来确定。
在一个实施例中,为使天线的频率工作在4.6GHz,n取4;
在一个实施例中,为使天线的频率工作在5.25GHz,n取12;
在一个实施例中,为使天线的频率工作在5GHz,n=8。
进一步地,调谐金属柱3位于环形金属贴片内,用于使对应的倒F天线所在的环形阵元,的TM0,1/2和TM2,1/2两个模式的谐振频率尽可能靠近需要的谐振频率,产生2个谐振点,从而展宽天线带宽。
进一步地,设置多个紧贴三个环形金属贴片的内圈设置的短路柱1,保证三个环形金属贴片的内圈皆被短路柱1包裹,等效为短路墙。
在一个实施例中,n的取值为8,如图5所示,所述馈电网络10包括设置在下介质板5底部中心的1分8均等功分网络和4个沿中心轴呈旋转对称的子馈电网络。
如图5所示,所述1分8均等功分网络包括4个1分2功分网络,4个1分2功分网络的输入端口连接在一起;
4个子馈电网络连接1分8均等功分网络的输出端口,即分别连接4个1分2功分网络的输出端口。
所述子馈电网络包括三个一分二功分器;
其中,第一一分功分器的输入端连接1分8均等功分网络的输出端口,第一一分功分器的一个输出端连接第一环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第二一分功分器的输入端,第二一分功分器的一个输出端连接第二环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第三一分功分器的输入端,第三一分功分器的两个输出端分别连接一个第三环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱。
如图6所示,在一个实施例中,所述子馈电网络中,第一一分功分器的两个输出端口通过微带线绕环形连接在第一连接点处,然后从第一连接点处分出两端,一端连接第一环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第二一分功分器的输入端,第二一分功分器的两个输出端口通过微带线绕环形连接在第二连接点处,然后从第二连接点处分出两端,一端连接第二环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第三一分功分器的输入端,第三一分功分器的两个输出端分别连接一个第三环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱;
所述子馈电网络的结构关于第一连接点和第二连接点的连线轴对称。
进一步地,第二一分功分器和第三一分功分器通过二极管开关电路连接,通过实现是否给予电压来保证第三个异构环形是否参与工作,从而实现天线的波束角度可重构。
子馈电网络的各输出端口可以表征整个馈电网络的相对应的输出端口,因此调节输出功率的比值和相位差可以在子馈电网络上进行,以节省仿真时间。馈电网络的各输出端口的相位差由传输线的长度决定。在一个实施例中,用串联谐振RLC电路如图7来当作二极管开关,加入交指电容如图8来保证通交流阻直流,仿真中加入偏置电路如图9使其更贴合实物。
进一步地,馈电网络10中的1分8均等功分网络中4个1分2功分网络的输入端口均连接至下介质板5底部中心设置的SMA接头6。
在一个实施例中,上介质板1、中间介质板3和下介质板5的半径和材料相同,半径为94mm;厚度为0.762mm;材料为Rogers 4350B;介电常数为3.66。进行仿真数据测试,如图10所示,其反射系数S11的公共带宽为4.95-5.60相对带宽为12.3%,如图11所示,在开关断开时带内增益为10.5dBi-11.2dBi。如图12所示,在开关闭合后带内增益为9.1dBi-10dBi。在工作带宽内实现了波束角的变化,在5GHz,如图13所示,断开状态的波束角约为±16°;导通波束角约为±26°在5.25GHz,如图14所示,断开状态的波束角约为±16°,导通状态波束角约为±28°。在5.5GHz,如图15所示,断开状态的波束角约为±14°导通状态的波束角约为±26°。
Claims (10)
1.一种可重构锥状波束天线,其特征在于,包括从上至下顺次层叠的上介质板(1)、空气腔(2)、中间介质板(3)以及下介质板(5);
上介质板(1)顶部设置有从内到外三个同心的环形金属贴片,多个短路柱(7)紧贴三个环形金属贴片的内圈设置,等效为短路墙,三个环形金属贴片中分别设置有馈电金属柱(8),与对应的短路柱(7)分别构成多个倒F天线,三个环形金属贴片中对应的多个倒F天线,构成从内到外的三个环形阵元;上介质板(1)上表面设置对应三个环形阵元中的倒F天线的调谐金属柱(9),实现阻抗匹配调谐的作用;
下介质板(5)上表面设置有金属地(4),下介质板(5)底部设置有馈电网络(10),下介质板(5)底部中心设置有SMA接头(6),SMA接头(6)连接馈电网络(10);馈电网络(10)中设置有二极管开关电路,控制最外层的环形阵元是否参与工作,从而实现天线的波束角度可重构;
调谐金属柱(3)和短路柱(1)贯穿上介质板(1)和中间介质板(3),另一端连接金属地(4);馈电金属柱(2)贯穿上介质板(1)、中间介质板(3)和下介质板(5),另一端连接馈电网络(10),三个环形阵元通过对应的馈电金属柱(2)连接下介质板(5)底部的馈电网络(10)。
2.根据权利要求1所述的一种可重构锥状波束天线,其特征在于,从内到外的三个环形阵元分别为第一环形阵元、第二环形阵元和第三环形阵元;
第一环形阵元、第二环形阵元和第三环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱(2)的数量分别为n、n和2n;n为大于等于4的偶数;
其中,n的取值通过仿真扫参根据需要的天线的谐振频率来确定。
3.根据权利要求1所述的一种可重构锥状波束天线,其特征在于,调谐金属柱(3)位于环形金属贴片内,用于使对应的倒F天线所在的环形阵元,的TM0,1/2和TM2,1/2两个模式的谐振频率尽可能靠近需要的谐振频率,产生2个谐振点,从而展宽天线带宽。
4.根据权利要求1所述的一种可重构锥状波束天线,其特征在于,设置多个紧贴三个环形金属贴片的内圈设置的短路柱(1),保证三个环形金属贴片的内圈皆被短路柱(1)包裹,等效为短路墙。
5.根据权利要求1所述的一种可重构锥状波束天线,其特征在于,所述馈电网络(10)包括设置在下介质板(5)底部中心的1分n均等功分网络和个沿中心轴呈旋转对称的子馈电网络。
6.根据权利要求5所述的一种可重构锥状波束天线,其特征在于,所述1分n均等功分网络包括个1分2功分网络,/>个1分2功分网络的输入端口连接在一起;
个子馈电网络连接1分n均等功分网络的输出端口,即分别连接/>个1分2功分网络的输出端口。
7.根据权利要求6和2任一项所述的一种可重构锥状波束天线,其特征在于,所述子馈电网络包括三个一分二功分器;
其中,第一一分功分器的输入端连接1分n均等功分网络的输出端口,第一一分功分器的一个输出端连接第一环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第二一分功分器的输入端,第二一分功分器的一个输出端连接第二环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第三一分功分器的输入端,第三一分功分器的两个输出端分别连接一个第三环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱。
8.根据权利要求7所述的一种可重构锥状波束天线,其特征在于,所述子馈电网络中,第一一分功分器的两个输出端口通过微带线绕环形连接在第一连接点处,然后从第一连接点处分出两端,一端连接第一环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第二一分功分器的输入端,第二一分功分器的两个输出端口通过微带线绕环形连接在第二连接点处,然后从第二连接点处分出两端,一端连接第二环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱,另一个输出端连接第三一分功分器的输入端,第三一分功分器的两个输出端分别连接一个第三环形阵元中的倒F天线对应的馈电金属柱;
所述子馈电网络的结构关于第一连接点和第二连接点的连线轴对称。
9.根据权利要求7任一项所述的一种可重构锥状波束天线,其特征在于,第二一分功分器和第三一分功分器通过二极管开关电路连接,通过实现是否给予电压来保证第三个异构环形是否参与工作,从而实现天线的波束角度可重构。
10.根据权利要求6任一项所述的一种可重构锥状波束天线,其特征在于,馈电网络(10)中的1分n均等功分网络中个1分2功分网络的输入端口均连接至下介质板(5)底部中心设置的SMA接头(6)。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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