CN117594984A - 一种平面方向图可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平面方向图可重构天线,属于通信技术领域,它包括上到下依次设置的环形微带馈电结构、介质基板和金属地板;在金属地板上刻蚀有位于环形微带馈电结构四周的Vivaldi槽,所述环形微带馈电结构设置在介质基板的正中间,在环形微带馈电结构的正中间设置有同轴馈电探针,环形微带馈电结构通过同轴馈电探针实现对Vivaldi槽的激励;在每个Vivaldi槽的一侧设置有驱动电路,驱动电路与Vivaldi槽中跨接的电子开关元件连接。本发明利用电子开关控制Vivaldi的矩形槽线部分,有效控制其激励与辐射状态,从而进一步实现方向图可重构,也可以对其他类似渐变形槽线进行短路控制辐射。

Description

一种平面方向图可重构天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域,尤其涉及一种平面方向图可重构天线。
背景技术
随着无线通信的发展,对天线系统进一步提出了高度集成和多功能的要求,从而最大限度地利用有限的空间。可重构天线可以将多个功能集成到一个天线中,可分为方向图/频率/极化可重构天线。可重构天线不仅克服了传统天线固定结构和辐射性能的限制,而且具有更大的适用性。可重构天线可以提高抗干扰能力,提升信道容量,并灵活地满足多样化的设计要求。
其中方向图可重构天线即在工作频率以及极化方式一定的情况下,可以通过控制天线馈电或者利用电子开关元件,实现辐射方向图切换的天线。常见的实现天线方向图可重构的方法主要有以下几种:在天线辐射体上加载电子开关元件等以改变天线表面的电流;利用加载有电子开关元件的寄生单元,应用八木天线等原理以改变辐射波束的指向;利用多端口天线或电子开关元件控制天线的馈电幅度、相位或者单元的辐射状态。
目前常见的多端口多波束与加载寄生单元的方向图可重构天线,其天线馈电网络及其控制电路较为复杂,同时存在天线结构尺寸相对较大的问题,难以满足小型化的内置设备应用需求,在实际应用中受到了一定的限制。同时目前常见的平面方向图可重构天线的研究,往往天线结构与电子开关元件的控制相对复杂,其在工作带宽、波束切换能力等方面也存在一些不足。同时由于平面设计的局限性,平面方向图可重构天线通常在辐射方向图的多样性上仍有所欠缺,未能充分利用辐射体及电子开关元件实现控制,从而难以满足多功能的无线通信应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供了一种平面方向图可重构天线,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:一种平面方向图可重构天线,它包括上到下依次设置的环形微带馈电结构、介质基板和金属地板;在金属地板上刻蚀有位于环形微带馈电结构四周的Vivaldi槽,所述环形微带馈电结构设置在介质基板的正中间,在环形微带馈电结构的正中间设置有同轴馈电探针,环形微带馈电结构通过同轴馈电探针实现对Vivaldi槽的激励;在每个Vivaldi槽的一侧设置有驱动电路,驱动电路与Vivaldi槽中跨接的电子开关元件连接,控制对应Vivaldi槽的辐射,实现平面方向图可重构。
所述Vivaldi槽包括谐振腔、矩形槽线和指数渐变槽线;所述谐振腔连接矩形槽线的一端,矩形槽线的另一端连接指数渐变槽线,使得Vivaldi槽的有效辐射区域随着频率发生变化。
所述驱动电路包括电子开关和直流偏置电路;所述直流偏置电路与电子开关连接,所述电子开关与所述矩形槽线上跨接的电子开关元件连接,从而控制对应Vivaldi槽的辐射。
当直流偏置电路驱动电子开关控制对应Vivaldi槽中的矩形槽线上跨接的电子开关导通时,矩形槽线被短路,能量无法传输,Vivaldi槽不产生辐射;
当直流偏置电路驱动电子开关控制对应Vivaldi槽中的矩形槽线上跨接的电子开关关断时,矩形槽线将能量传输至指数渐变槽线,Vivaldi槽实现辐射。
所述环形微带馈电结构包括四个枝节,在每个枝节上连接有一环状微带线,在环状微带线上的电流分布均匀且幅度相同,实现对金属地板上刻蚀的Vivaldi槽的有效激励。
在金属地板上刻蚀有4个Vivaldi槽,4个Vivaldi槽旋转对称,且均匀分布在环形微带馈电结构的四周。
在所述同轴馈电探针的一侧设置有接地的金属短路柱,在金属短路柱上设置有集总电容,通过集总电容和金属短路柱进一步实现多种状态下的匹配。
本发明具有以下优点:一种平面方向图可重构天线,利用电子开关控制Vivaldi的矩形槽线部分,有效控制其激励与辐射状态,从而进一步实现方向图可重构,也可以对其他类似渐变形槽线进行短路控制辐射;通过结合4个旋转对称的辐射体结构,组合实现了8种指向单波束辐射状态和2种指向双波束辐射状态的切换,有效提高了可重构天线的方向图多样性;在单层介质基板上利用Vivaldi天线结构展开设计,具有低剖面特性(0.0083 λ0),结构简单紧凑,在小型化的现代无线通信中有着良好应用前景;采用同轴探针馈电,仅利用4个电子开关元件实现了多种状态的切换,降低了加工成本,实现了低成本的多功能天线。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图;
图2为本发明的俯视结构示意图;
图3为本发明的十种状态对应的辐射方向图;
图4为本发明不同状态对应的电场分布示意图;
图中:1-环形微带馈电结构,2-金属地板,3-介质基板,4-同轴馈电探针,5-金属短路柱,6-谐振腔,7-矩形槽线,8-指数渐变槽线,9-电子开关,10-直流偏置电路,11-集总电容。
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平面方向图可重构天线,它包括上到下依次设置的环形微带馈电结构1、介质基板3和金属地板2;在金属地板2上刻蚀有位于环形微带馈电结构1四周的Vivaldi槽,所述环形微带馈电结构1设置在介质基板3的正中间,在环形微带馈电结构1的正中间设置有同轴馈电探针4,环形微带馈电结构1通过同轴馈电探针4实现对Vivaldi槽的激励;在每个Vivaldi槽的一侧设置有驱动电路,驱动电路与Vivaldi槽中跨接的电子开关元件连接,控制对应Vivaldi槽的辐射,实现平面方向图可重构。
进一步地,Vivaldi槽由底部微带耦合激励,其包括谐振腔6、矩形槽线7和指数渐变槽线8;所述谐振腔6连接矩形槽线7的一端,矩形槽线7的另一端连接指数渐变槽线8;谐振腔6用于实现矩形槽线7和指数渐变槽线8二者间的良好阻抗匹配。
其中,Vivaldi槽是由窄矩形槽线7过渡到宽槽线的结构,其上电流沿槽线分布,其槽线呈指数变化渐变。矩形槽线7部分将能量束缚在槽线内,用于传输能量,随着渐变部分的开口宽度增大,引导电磁波向外实现有效辐射。指数渐变槽线8的结构使得它的有效辐射区域随着频率发生变化,不同的工作频率即对应不同宽度的槽线,因此Vivaldi槽结构具有较宽的阻抗带宽且增益稳定。通过调节上述结构尺寸及渐变形状即可以在相对紧凑的设计中提供较宽的工作频带。同时其在放置和定向性上具有灵活性,本发明组合放置四个旋转对称的Vivaldi结构,进一步实现方向图可重构。
进一步地,驱动电路包括电子开关9和直流偏置电路10;所述直流偏置电路10与电子开关9连接,所述电子开关9与所述矩形槽线7上跨接的电子开关元件连接,从而控制对应Vivaldi槽的辐射。
其中,当直流偏置电路10驱动电子开关9控制对应Vivaldi槽中的矩形槽线7上跨接的电子开关9导通时,矩形槽线7被短路,能量无法传输,Vivaldi槽不产生辐射;当直流偏置电路10驱动电子开关9控制对应Vivaldi槽中的矩形槽线7上跨接的电子开关关断时,矩形槽线7将能量传输至指数渐变槽线8,Vivaldi槽实现良好的辐射。分别控制四个旋转对称的Vivaldi槽的辐射,即可实现天线辐射状态的切换。
所述环形微带馈电结构1包括四个枝节,在每个枝节上连接有一环状微带线,在环状微带线上的电流分布均匀且幅度相同,能够实现对金属地板2上多个Vivaldi槽的有效激励,同时易于实现阻抗匹配。
在所述同轴馈电探针4的一侧设置有接地的金属短路柱5,在金属短路柱5上设置有集总电容11,通过集总电容11和金属短路柱5进一步实现多种状态下的良好匹配,实现了2.38GHz-2.58GHz的阻抗带宽,可以有效覆盖WI-FI频段,适用于无线通信的应用。
本发明由四个电子开关元件控制实现方向图可重构,当电子开关元件Pin1关断,其他开关导通时,+x方向上的Vivaldi槽被激励起来,其他方向上的Vivaldi槽被短路不产生辐射,从而产生指向+x方向(Phi=0°)的波束。 进一步,通过同时关断两个相邻Vivaldi槽上跨接的电子开关元件Pin1和Pin2,两个相邻的Vivaldi结构被激励起来,两电场叠加产生指向Phi=45°的单波束。通过同时关断两个对侧Vivaldi槽上跨接的电子开关元件Pin1和Pin3,两个对侧的Vivaldi结构被激励起来,从而组合产生了指向Phi=0°+180°的双波束辐射。由于天线结构的对称性,可以产生其他对称指向的辐射方向图,如图3所示,从而实现了利用四个电子开关元件实现十种方向图状态的切换。
四个Pin二极管的通断状态以及对应的方向图在XoY平面上的指向角度如下表所示:
表1、通断状态以及对应的方向图在XoY平面上的指向角度表
不同状态下天线电场分布如图4所示,当仅单个电子开关元件关断时,如状态1,电场集中于单个Vivaldi槽,经长槽传输线后利用开口槽实现有效宽带辐射,此时其他Vivaldi 槽电场弱,说明电子开关元件接通实现了良好短路效果,从而无法传输能量,而关断时几乎不影响槽的有效辐射。当相邻两个电子开关元件关断时,如状态二,电场集中于相邻两个Vivaldi 槽,相邻两槽实现有效辐射,而其他槽被短路而无法传输能量,从而产生了倾斜波束。当对侧两个电子开关元件关断时,如状态三,电场集中于对侧的Vivaldi槽,从而辐射出准全向的方向图。电场分布进一步说明了电子开关9通过控制辐射槽的辐射,进而实现了有效的方向图可重构。
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、修改和完善,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 (7)

1.一种平面方向图可重构天线,其特征在于:它包括上到下依次设置的环形微带馈电结构(1)、介质基板(3)和金属地板(2);在金属地板(2)上刻蚀有位于环形微带馈电结构(1)四周的Vivaldi槽,所述环形微带馈电结构(1)设置在介质基板(3)的正中间,在环形微带馈电结构(1)的正中间设置有同轴馈电探针(4),环形微带馈电结构(1)通过同轴馈电探针(4)实现对Vivaldi槽的激励;在每个Vivaldi槽的一侧设置有驱动电路,驱动电路与Vivaldi槽中跨接的电子开关元件连接,控制对应Vivaldi槽的辐射,实现平面方向图可重构。
2.根据权利要求1所述的一种平面方向图可重构天线,其特征在于:所述Vivaldi槽包括谐振腔(6)、矩形槽线(7)和指数渐变槽线(8);所述谐振腔(6)连接矩形槽线(7)的一端,矩形槽线(7)的另一端连接指数渐变槽线(8),使得Vivaldi槽的有效辐射区域随着频率发生变化。
3.根据权利要求2所述的一种平面方向图可重构天线,其特征在于:所述驱动电路包括电子开关(9)和直流偏置电路(10);所述直流偏置电路(10)与电子开关(9)连接,所述电子开关(9)与所述矩形槽线(7)上跨接的电子开关元件连接,从而控制对应Vivaldi槽的辐射。
4.根据权利要求3所述的一种平面方向图可重构天线,其特征在于:当直流偏置电路(10)驱动电子开关(9)控制对应Vivaldi槽中的矩形槽线(7)上跨接的电子开关导通时,矩形槽线(7)被短路,能量无法传输,Vivaldi槽不产生辐射;
当直流偏置电路(10)驱动电子开关(9)控制对应Vivaldi槽中的矩形槽线(7)上跨接的电子开关关断时,矩形槽线(7)将能量传输至指数渐变槽线(8),Vivaldi槽实现辐射。
5.根据权利要求1所述的一种平面方向图可重构天线,其特征在于:所述环形微带馈电结构(1)包括四个枝节,在每个枝节上连接有一环状微带线,在环状微带线上的电流分布均匀且幅度相同,实现对金属地板(2)上刻蚀的Vivaldi槽的有效激励。
6.根据权利要求1所述的一种平面方向图可重构天线,其特征在于:在金属地板(2)上刻蚀有4个Vivaldi槽,4个Vivaldi槽旋转对称,且均匀分布在环形微带馈电结构(1)的四周。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种平面方向图可重构天线,其特征在于:在所述同轴馈电探针(4)的一侧设置有接地的金属短路柱(5),在金属短路柱(5)上设置有集总电容(11),通过集总电容(11)和金属短路柱(5)进一步实现多种状态下的匹配。
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