CN117578099B - 一种具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，属于可重构天线技术领域。该天线基于惠更斯单元进行布阵，单个惠更斯元，不同电单极子和磁偶极子组合实现的方向图不同，通过控制PIN二极管的通断可以切换不同电单极子，可实现两种倾斜方向图和一种宽角端射方向图之间的切换。本发明天线等效为1×3惠更斯阵列，根据方向图叠加原理，通过对每个惠更斯元的方向图调控并进行组合，可以实现九种不同的倾斜方向图之间扫描，扫描范围为27°‑153°，最高增益高达10dBi，扫描增益损耗仅为0.8dB；同时该天线结构简单，尺寸小，成本低，具有较高的应用价值和创新。

Description

一种具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线
技术领域
本发明属于可重构天线技术领域，具体涉及一种具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线。
背景技术
方向图可重构天线是一种新型天线，与传统的天线相比，方向图可重构天线可以在不同类型的方向图之间进行切换，同时具有体积小、重量轻，成本低，灵敏度高等多种优点。其中，倾斜方向图可重构天线是研究较多的一种可重构天线，其出色的波束偏转能力不仅可以提高通信质量，而且可以有效地减少路径电磁干扰，广泛应用于机场雷达通信和终端卫星通信。但是现有报道的倾斜方向图可重构天线重构状态少，扫描角度窄，增益不稳定等问题突出。为了适用于更加复杂多样的应用场景，展现可重构天线的独特优势，倾斜方向图可重构天线朝着大角度、高增益稳定性、多状态方向发展。
I.Goode等人(I.Goode and C.E.Saavedra,“Millimeter-wave beam-steeringantenna using a fluidically reconfigurable lens,”IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.69,no.2,pp.683–688,2021.)提出了一种基于液体枝节的倾斜方向图可重构天线，通过切换辐射枝节中的液体导体，可以实现-12°到14°之间方向图的重构。虽然其可重构状态有7种，但扫描角度仅有26°，扫描增益损耗为1.8dB,难以应用于大多数场景。Vivek T.Bhara mbe等人(Vivek T.Bharambe and Jacob J.Adams,“Planar2-D beam steering antenna usi ng liquid metal parasitics,”IEEE Transactionson Antennas and Propagation,vol.68,no.11,pp.7320–7327,2020.)基于寄生的液体金属设计了一款二维倾斜方向图可重构天线，通过机械控制液体金属，实现了-54°到54°之间锥形辐射方向图之间的重构，扫描角度明显提升；但是其可重构状态只有5种，扫描增益损耗高达3.1dB，不具有增益稳定行，且其可重构方式为机械控制，切换速度较慢。
现有技术中还有其它倾斜方向图可重构天线，但是都存在扫描角度窄，增益不稳定，可重构状态少等问题，使其应用场景受限。基于此，一种具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线的设计具有实际意义和应用价值。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，该天线基于惠更斯单元进行布阵，可以实现9种不同倾斜状态方向图之间的切换，其扫描角度覆盖120°，最高增益高达10dBi，扫描增益损耗仅为0.8dB；同时该天线结构简单，尺寸小，成本低，具有较高的应用价值和创新。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，包括辐射基板1、片上集成波导2、接地板3和同轴馈线10；
所述辐射基板1包括第一介质板和位于第一介质板表面的第一金属层，第一介质板为矩形；所述第一金属层由三组沿第一介质板长边均匀分布的辐射单元组成，每组辐射单元由2个对称设置的辐射贴片6组成，对称轴为第一介质板宽边中心点连线；每个金属辐射贴片靠近对称轴处且与对称轴平行方向设置第一缝隙；缝隙中心设置PIN二极管，辐射贴片远离对称轴侧的边缘中心处设置电感8；电感外接直流源，直流源通过电感向PIN二极管供电；
所述片上集成波导2包括第二介质板和位于第二介质板上下表面的第二金属层、第三金属层，第二金属层和第三金属层的尺寸和第二介质板尺寸相同，第二介质板两个宽边和一个长边的边缘侧均匀设置连接第二金属层和第三金属层的三列金属通孔12；第二金属层上沿其长边三等分处设置两个弯折缝隙13，弯折缝隙由若干个“L”字型缝隙首尾连接得到，弯折缝隙的每个弯折处的内侧设置一个金属通孔14；弯折缝隙13和每个弯折处设置的金属通孔构成一个反相器，两个反相器将片上集成波导2等分为三部分，并且使三部分馈电相位相同；第二介质板的中心设置同轴馈线10，同轴馈线10外导体与第三金属层连接，内导体贯穿第二介质板并且与第二金属层连接；
所述接地板3包括第三介质板和位于第三介质板表面设置的第四金属层，第三介质板为矩形，第四金属层的尺寸与第三介质板的尺寸相同；
辐射基板1和接地板相互平行设置，片上集成波导垂直固定设置于辐射基板1和接地板之间，且位于辐射基板1中心轴线所在平面；片上集成波导未设置金属通孔的长边与辐射基板1接触，且第二金属层、第三金属层分别与辐射基板1的辐射贴片相接触。
进一步，所述辐射贴片的形状为轴对称图形，辐射贴片的对称轴与介质板宽边中心点连线相垂直，优选为等腰梯形、等边三角形、等腰三角形、矩形或圆形；若为等腰梯形，其上底边靠近介质板长边。
进一步地，三列金属通孔中相邻两个金属通孔的间隔越小，形成的开口SIW(片上集成波导)越接近真实波导，其封闭性越好。
进一步地，“L”字型缝隙的长边长度为a，短边长度b，缝隙宽度为c，通过调整“L”字型缝隙参数和每个弯折处设置的金属通孔的直径，使片上集成波导2等分成的三部分馈电相位相同。
进一步地，所述大角度方向图可重构天线还包括支撑柱4，所述支撑柱用于固定连接辐射基板1和接地板3，辐射基板1和接地板3中间为空气层。
进一步地，支撑柱材料为绝缘材料，优选为尼龙支撑柱4。
进一步地，所述第一介质板和第三介质基板平行于长边方向的中心均设置贯穿固定槽，第二介质板边缘设置延伸板，固定槽和延伸板配合实现片上集成波导与辐射基板1、接地板之间的固定。
进一步的，片上集成波导2工作在TE(1/2)01模式，视为沿第二介质板长边方向分布的1×3个磁偶极子阵列，辐射贴片6与片上集成波导2上下表面连接并由其馈电，视为沿第一介质板宽边和长边方向分布的2×3电单极子阵列；沿第一介质板宽边的每两个电单极子单元和对应的磁偶极子正交放置且同相馈电，等效为惠更斯元，整个天线等效为1×3惠更斯阵列。
进一步的，通过PIN二极管7控制电单极子和磁偶极子的连接，重构惠更斯阵列结构，从而实现方向图的切换。
本发明的机理为：对于单个惠更斯元，不同电单极子和磁偶极子组合实现的方向图不同，通过控制PIN二极管的通断可以切换不同电单极子，可实现两种倾斜方向图(mode2，mo de 3)和一种宽角端射方向图(mode 1)之间的切换。其中，倾斜方向图的偏转角度主要受电单极子和磁偶极子的幅度比影响，通过调整电单极子的尺寸改变其分布电流幅度值，可以调整偏转角度，即可实现方向图大角度偏转。对于1×3惠更斯阵列，根据方向图叠加原理，通过对每个惠更斯元的方向图调控并进行组合，可以实现九种不同的倾斜方向图(S1-S9)之间扫描，扫描范围为27°-153°，其中阵列的最大扫描角度和的单元倾斜方向图的偏转转角度相同。
除此之外，本发明设计了一种反相器用于改变1×3磁偶极子阵列左右两部分的相位，原始阵列在TE(1/2)01模式时，其左中右三部分的相位为180°，0°，180°，为了保证同相馈电，在三部分分界处设计蜿蜒型缝隙和金属通孔，其中蜿蜒型缝隙等效为电容，金属通孔等效为电感，整个反相器等效为带通滤波器并可以实现左右部分180°相位偏转，最终阵列左中右三部分的相位为0°，0°，0°。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明方向图可重构天线可以实现九种不同方向图之间的重构，扫描角度为126°，具有大角度扫描特性，重构方式简单且具有普适性，可以应用于多种工作场景，例如机场雷达通信和终端卫星通信等。
2.本发明方向图可重构天线在扫描过程中天线增益大于9.66dBi，增益损耗小于0.8dB，具有超高增益稳定，可以保证通信时链路稳定不失真。
3.本发明方向图可重构天线主体辐射结构可由印刷PCB板实现，成本低，加工简单。
附图说明
图1为本发明天线的整体结构示意图。
图2为本发明天线的辐射结构正视图。
图3为本发明天线的片上集成波导结构俯视图。
图4为本发明单个惠更斯元的结构和实现的三种状态方向图。
图5为本发明天线不同状态下各单元的工作模式示意图。
图6为本发明实施例1中天线回波损耗仿真示意图。
图7为本发明实施例1中天线工作频带内不同状态下峰值实际增益仿真结果图。
图8为本发明实施例1中天线工作频带内不同状态下辐射效率仿真结果图。
图9为本发明实施例1中天线中心频点处不同状态下E面(xoz面)方向图仿真结果图。
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。
一种具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，其整体结构示意图如图1所示，包括辐射基板1、片上集成波导2、接地板3和同轴馈线10；
所述辐射基板1的正视图如图2所示，包括第一介质板和位于第一介质板表面的第一金属层，第一介质板为矩形；所述第一金属层由3组沿第一介质板长边均匀分布的辐射单元组成，每组辐射单元由2个对称设置的等腰梯形辐射贴片6组成，对称轴为第一介质板宽边中心点连线，第一介质板在第一辐射单元和第三辐射单元中间设置矩形固定槽5；每个金属辐射贴片靠近对称轴处且与对称轴平行方向设置第一缝隙，所述第一缝隙将辐射贴片切分为两个部分；缝隙中心设置PIN二极管，辐射贴片远离对称轴侧的边缘中心处设置第一焊盘，第一焊盘上设置电感8，第一介质基板长边边缘设置6个第二焊盘9，分别与第一焊盘连接，电感外接直流源，直流源通过电感向PIN二极管供电；等腰梯形辐射贴片6可等效为2×3电单极子阵列，通过PIN二极管7和电感控制电单极子的通断和对交流的阻断；
所述片上集成波导2的俯视图如图3所示，包括第二介质板和位于第二介质板上下表面的第二金属层、第三金属层，第二金属层和第三金属层的尺寸和第二介质板尺寸相同，第二介质板两个宽边和一个长边的边缘侧均匀设置连接第二金属层和第三金属层的三列金属通孔12；第二金属层上沿其长边三等分处设置两个弯折缝隙13，弯折缝隙由若干个“L”字型缝隙首尾连接得到，弯折缝隙的每个弯折处的内侧设置一个金属通孔14；弯折缝隙13和每个弯折处设置的金属通孔构成一个反相器，两个反相器将片上集成波导2等分为三部分，并且使三部分馈电相位相同；第二介质板的中心设置同轴馈线10，同轴馈线10外导体与第三金属层连接，内导体贯穿第二介质板并且与第二金属层连接；片上集成波导等效沿y轴放置的1×3磁偶极子阵；
所述接地板3包括第三介质板和位于第三介质板表面设置的第四金属层，第三介质板为矩形，第四金属层的尺寸与第三介质板的尺寸相同；
辐射基板1和接地板相互平行设置，片上集成波导垂直固定设置于辐射基板1和接地板之间，且位于辐射基板1中心轴线所在平面；辐射基板1和接地板3中间为空气层，并且通过片上集成波导2和尼龙支撑柱4进行固定；片上集成波导未设置金属通孔的长边与辐射基板1接触，且第二金属层、第三金属层分别与辐射基板1的辐射贴片相接触。
上述涉及的坐标是以第一介质板的长边方向为y轴方向，宽边方向为z轴方向，第二介质基板宽边方向为x方向构建xyz空间坐标系下而言。
图4为本发明单个惠更斯元的结构和实现的三种状态方向图。每2×1电单极子和对应的磁偶极子正交放置且同相馈电，等效为惠更斯元。通过控制PIN二极管7可以控制电单极子和磁偶极子的连接，实现三种不同方向图之间的重构，具体为两种倾斜方向图(mode2，mode 3)和一种宽角端射方向图(mode 1)。其中，倾斜方向图的偏转角度主要受电单极子和磁偶极子的幅度比影响，通过调整电单极子的尺寸改变其分布电流幅度值，可以调整偏转角度，适当优化即可使得方向图大角度偏转。
整个天线可以等效为1×3惠更斯阵列，图5为本发明实天线不同状态各单元的工作模式示意图。根据方向图叠加原理，通过对每个惠更斯元的方向图调控并进行组合，可以实现九种不同的倾斜方向图(S1-S9)之间扫描，扫描范围为27°-153°，其中阵列的最大扫描角度和的单元倾斜方向图的偏转转角度相同。
实施例1
本实施例中，所述具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线整体尺寸为100mm×39mm×18mm；介质基板的型号为F4BM、介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009，其中辐射基板和接地板的厚度为1mm，片上集成波导的厚度为3mm；等腰梯形辐射贴片的上底边为25mm，下底边为15mm，高为15mm；相邻辐射贴片的间距为31.5mm。片上集成波导基板边缘侧的三列金属通孔的通孔直径为0.8mm，弯折缝隙长边和短边分别为6mm和2.05mm，宽度为0.3mm；弯折缝隙处的金属通孔直径为0.4mm。尼龙支撑柱的直径为2mm。
上述尺寸均为经过计算及优化后的特定一种实施尺寸，如尺寸变化，发明实施例的性能会恶化。
对本实施例的可重构天线进行仿真测试。图6为本发明实施例1中天线回波损耗仿真示意图。从图中可以看出，天线九种辐射状态下在4.62GHz-4.9GHz范围内，回波损耗小于-10dB，阻抗带宽为5.9％，适用多种场景，例如机场雷达通信和终端卫星通信等。
图7为本发明实施例1中天线工作频带内不同状态下峰值实际增益仿真结果图。从图中可以看出，在中心频点f＝4.75GHz处，九种状态下天线的最大实际增益皆超过9.66dBi。图8为本发明实施例1中天线工作频带内不同状态下辐射效率仿真结果图。从图中可以看出，在中心频点f＝4.75GHz处，天线的最大辐射效率超过85.3％。
图9为本发明实施例1中天线中心频点处不同状态下E面(xoz面)方向图仿真结果图。从图中可以看出，在不同的状态下，天线扫描角度覆盖27°-153°，1-dB增益损耗覆盖范围为174°，在波束扫面范围内具有高增益稳定性。
由此可见，本发明天线方向图可以在九种不同状态之间切换，且实现方式简单、天线结构紧凑，成本较低，具有大扫描角度和高增益稳定的特性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (10)

1.一种具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，包括辐射基板、片上集成波导、接地板和同轴馈线，其特征在于，
所述辐射基板包括第一介质板和位于第一介质板表面的第一金属层，第一介质板为矩形；所述第一金属层由三组沿第一介质板长边均匀分布的辐射单元组成，每组辐射单元由两个对称设置的辐射贴片组成，对称轴为第一介质板宽边中心点连线；每个金属辐射贴片靠近对称轴处且与对称轴平行方向设置第一缝隙；缝隙中心设置PIN二极管，辐射贴片远离对称轴侧的边缘中心处设置电感；电感外接直流源，直流源通过电感向PIN二极管供电；
所述片上集成波导包括第二介质板和位于第二介质板上下表面的第二金属层、第三金属层，第二介质板为矩形，第二金属层和第三金属层的尺寸和第二介质板尺寸相同，第二介质板两个宽边和一个长边的边缘侧均匀设置连接第二金属层和第三金属层的三列金属通孔；第二金属层上沿其长边三等分处设置两个弯折缝隙，弯折缝隙由若干个“L”字型缝隙首尾连接得到，弯折缝隙的每个弯折处的内侧设置一个金属通孔；弯折缝隙和每个弯折处设置的金属通孔构成一个反相器，两个反相器将片上集成波导等分为三部分，并且使三部分馈电相位相同；第二介质板的中心设置同轴馈线，同轴馈线外导体与第三金属层连接，内导体贯穿第二介质板并且与第二金属层连接；
所述接地板包括第三介质板和位于第三介质板表面设置的第四金属层，第三介质板为矩形，第四金属层的尺寸与第三介质板的尺寸相同；
辐射基板和接地板相互平行设置，片上集成波导垂直固定设置于辐射基板和接地板之间，且位于辐射基板中心轴线所在平面；片上集成波导未设置金属通孔的长边与辐射基板接触，且第二金属层、第三金属层分别与辐射基板的辐射贴片相接触。
2.如权利要求1所述的具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，其特征在于，所述辐射贴片的形状为轴对称图形，辐射贴片的对称轴与介质板宽边中心点连线相垂直。
3.如权利要求2所述的具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，其特征在于，所述轴对称图形为等腰梯形、等边三角形、等腰三角形、矩形或圆形；若轴对称图形为等腰梯形，其上底边靠近介质板长边。
4.如权利要求1所述的具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，其特征在于，三列金属通孔中相邻两个金属通孔的间隔越小，形成的开口SIW越接近真实波导，其封闭性越好。
5.如权利要求1所述的具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，其特征在于，“L”字型缝隙的长边长度为a，短边长度b，缝隙宽度为c，通过调整“L”字型缝隙参数和每个弯折处设置的金属通孔的直径，使片上集成波导等分成的三部分馈电相位相同。
6.如权利要求1所述的具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，其特征在于，所述大角度方向图可重构天线还包括支撑柱，所述支撑柱用于固定连接辐射基板和接地板，辐射基板和接地板中间为空气层。
7.如权利要求1所述的具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，其特征在于，支撑柱材料为绝缘材料。
8.如权利要求1所述的具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，其特征在于，所述第一介质板和第三介质基板平行于长边方向的中心均设置贯穿固定槽，第二介质板边缘设置延伸板，固定槽和延伸板配合实现片上集成波导与辐射基板、接地板之间的固定。
9.如权利要求1所述的具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，其特征在于，片上集成波导工作在TE(1/2)01模式，视为沿第二介质板长边方向分布的1×3个磁偶极子阵列，辐射贴片与片上集成波导上下表面连接并由其馈电，视为沿第一介质板宽边和长边方向分布的2×3电单极子阵列；沿第一介质板宽边的每两个电单极子单元和对应的磁偶极子正交放置且同相馈电，等效为惠更斯元，整个天线等效为1×3惠更斯阵列。
10.如权利要求9所述的具有高稳定增益的大角度方向图可重构天线，其特征在于，通过PIN二极管控制电单极子和磁偶极子的连接，重构惠更斯阵列结构，从而实现方向图的切换。
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