CN118232011B - 一种基于奇偶模原理的全向和定向方向图可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于奇偶模原理的全向和定向方向图可重构天线，属于通信技术领域，包括上层PCB基板、下层PCB基板、印刷在上层PCB基板上的圆形贴片以及印刷在下层PCB基板上的蘑菇结构，所述上层PCB基板和下层PCB基板紧贴在一起。本发明解决了现有的方向图可重构天线难以兼顾低剖面、结构紧凑、同时定向和全向辐射以及定向扫描覆盖到360°全水平面等指标问题，此外还解决了现有的奇偶模方向图分集天线的复杂双端口馈电结构的问题。

Description

一种基于奇偶模原理的全向和定向方向图可重构天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种基于奇偶模原理的全向和定向方向图可重构天线。
背景技术
现代无线通信系统正遭受多种恶劣环境，例如多径效应和多重散射。方向图可重构天线通过控制波束指向和波束赋性，可以减少杂散干扰，实现灵活的信号传输，为解决智能波束覆盖问题提供了有效途径。方向图可重构天线的根本设计方法是调节辐射口径面的电流和场分布。常用的电控方向图可重构天线的实现方法有如下几种：选择不同的辐射结构；选择不同的馈电网络；结合和切换多个谐振模式；采用多端口技术；使用特殊的电磁材料等。
基于奇偶模原理的天线是将一个偶模和一个奇模结合起来，偶次模式用于产生全向辐射，奇次模式形成侧射方向图。能量在一侧会叠加相长，而在另一侧相互抵消，从而产生定向辐射波束。这个定向辐射的最大辐射方向将介于偶模和奇模的两个辐射波束的夹角中间，也就是准端射方向。通常，基于奇偶模的方向图可重构天线采用双端口馈电，类似于共模（CM）和差模（DM）天线的馈电方法。众所周知，这种双端口天线天然具有端口隔离度非常高的优势。有很多MIMO天线和滤波天线采用奇偶模分析来设计多端口的高隔离度和实现良好的滤波效应。
根据端口和辐射单元的数量，可以将奇偶模天线分为四类：（1）两个端口和一个辐射单元。它通常被用在高端口隔离度的共模（CM）和差模（DM）天线上。通过激励天线的两种谐振模式，可以获得两种辐射状态（全向辐射模式和侧射辐射模式）。（2）两个端口和两个辐射元件。通过选择端口的使用数量（一个端口或两个端口）并调整端口的相位差（一般为0°和180°），激发并组合两个辐射元件的谐振。通过这种设置，可以实现四种辐射状态，从而实现半平面范围的辐射覆盖。（3）单端口和单辐射元件。采用模式分析将两个相似的谐振模式调谐到相同的工作频段，例如引入短路针、槽等结构并进行特征模式分析。但通常在一个口径面上实现模式的可调谐是不易的，并且需要复杂的馈电网络。（4）单端口和两个辐射元件。目前，此类天线还有待研究。难点在于，在单端口的情况下，很难使两个辐射元件分别工作在奇模和偶模。此外，基于奇偶模的方向图可重构天线还需要调整两个辐射单元的激励相位，而这一点无法通过一个端口来完成。
目前大多基于奇偶模原理的方向图可重构天线都需要借用两个端口，且结构复杂、尺寸大，只能实现定向和全向两种波束的切换或者有限范围内的波束扫描覆盖。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于奇偶模原理的全向和定向方向图可重构天线，解决了现有的方向图可重构天线难以兼顾低剖面、结构紧凑、同时定向和全向辐射以及定向扫描覆盖到360°全水平面等指标问题，此外还解决了现有的奇偶模方向图分集天线复杂的双端口馈电结构的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种基于奇偶模原理的全向和定向方向图可重构天线，包括上层PCB基板、下层PCB基板、印刷在上层PCB基板上的圆形贴片以及印刷在下层PCB基板上的蘑菇结构，所述上层PCB基板和下层PCB基板紧贴在一起。
本发明的有益效果是：本发明利用奇偶模原理，提出了一种能同时实现全向辐射和全平面内定向扫描的平面化分集天线。通过单个端口同相馈电给两个辐射元件（工作在偶模式的蘑菇结构和工作在奇模式的圆形贴片），以此简化了传统的双端口奇偶模式天线。蘑菇结构和圆形贴片在空间上相交，共用同一金属地板，形成紧凑、低剖面的天线结构。本发明实现了奇偶模天线的单端口设计，并在此基础上实现了方向图可重构；本发明解决了传统奇偶模方向图分集天线的定向辐射扫描范围有限的问题，实现了全水平面的波束覆盖范围；本发明提供全向和定向方向图可重构天线，全部由PCB组成，成本低且结构简单，只需印刷金属片、加载金属化通孔和焊接PIN二极管，易于组装和量产。本发明提供一个可工作在2.4 GHz Wi-Fi频段的全向和定向方向图可重构天线。
进一步地，所述圆形贴片印刷在上层PCB基板的上表面中心位置处，所述圆形贴片的中心处刻有十字形插槽，所述十字形插槽内嵌入有四个对称分布的PIN二极管，所述圆形贴片的四周设置有四个直流偏置电路，所述四个直流偏置电路分别一一对应控制四个PIN二极管的通断情况。
上述进一步方案的有益效果是：本发明引入较少的PIN二极管，实现了一个全向和四个定向辐射模式的方向图可重构。通过四个PIN二极管调节圆形贴片的电流相位和极化，实现了基于奇偶模的可重构定向方向图，并且四个定向波束很好地覆盖了整个水平面。
再进一步地，所述蘑菇结构包括上表面金属层、下表面金属层以及一圈间隔均匀的短路针；
所述上表面金属层和下表面金属层分别印刷在下层PCB基板的上下表面，所述短路针为下层PCB基板中设置的金属通孔；所述蘑菇结构的下表面金属层同时作为蘑菇结构和圆形贴片的金属地板；所述上表面金属层的中心位置嵌入有圆形孔缝隙。
上述进一步方案的有益效果是：本发明为了用单个端口同时激发圆形贴片和蘑菇结构，嵌入了圆形缝隙，能量可以直接馈送到圆形贴片上，并通过电容耦合到蘑菇结构上，从而实现了这两个辐射元件的同相馈电。
再进一步地，所述印刷在上层PCB基板的圆形贴片以及印刷在下层PCB基板上的蘑菇结构为全向和定向方向图可重构天线集成的两部分辐射元件。
再进一步地，所述上层PCB基板和下层PCB基板通过尼龙螺钉连接，且所述上层PCB基板和下层PCB基板紧贴在一起，中间没有空气缝隙。
上述进一步方案的有益效果是：本发明紧凑集成了一对辐射体，基于奇偶模原理，解决了传统偶模辐射元件和奇模辐射元件的设计单一化、尺寸大和结构不紧凑的问题。
再进一步地，所述全向和定向方向图可重构天线由同轴探针馈电，所述同轴探针的内芯与圆形贴片连接，所述同轴探针的外壳与蘑菇结构的下表面金属层连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明的天线采用同轴馈电，实现了五种状态下的良好阻抗匹配。
附图说明
图1为本发明的可重构天线顶层结构的3D视图。
图2为本发明的可重构天线底层结构的3D视图。
图3为本发明的可重构天线的3D视图。
图4为本实施例中四个开关D1~D4的位置和四个定向辐射方向图的俯视图。
图5为本实施例中状态一和状态五的辐射方向图的侧视图。
图6为本实施例中四个定向辐射状态一~状态四和一个全向辐射状态五的S参数。
图7为本实施例中在θ=90°平面上的状态一~状态四的辐射方向图。
图8为本实施例中状态一在φ=150°平面上的辐射方向图。
图9为本实施例中状态五在φ=0°平面上的辐射方向图。
图10为本实施例中状态五在θ=90°平面上的辐射方向图。
其中，1-上层PCB基板，2-圆形贴片，3-同轴探针的内芯，4-十字形插槽，5-PIN二极管，6-直流偏置电路，7-尼龙螺钉，8-下层PCB基板，9-上表面金属层，10-下表面金属层，11-短路针，12-圆形孔缝隙，13-同轴探针的外壳，14-蘑菇结构。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种基于奇偶模原理的全向和定向方向图可重构天线，包括上层PCB基板1、下层PCB基板8、印刷在上层PCB基板1上的圆形贴片2以及印刷在下层PCB基板8上的蘑菇结构14，所述上层PCB基板1和下层PCB基板8紧贴在一起；所述圆形贴片2印刷在上层PCB基板1的上表面中心位置处，所述圆形贴片2的中心处刻有十字形插槽4，所述十字形插槽4内嵌入有四个对称分布的PIN二极管5，所述圆形贴片2的四周设置有四个直流偏置电路6，所述四个直流偏置电路6分别一一对应控制四个PIN二极管5的通断情况。所述蘑菇结构14包括上表面金属层9、下表面金属层10以及一圈间隔均匀的短路针11；所述上表面金属层9和下表面金属层10分别印刷在下层PCB基板8的上下表面，所述短路针11为下层PCB基板8中设置的金属通孔；所述蘑菇结构14的下表面金属层10同时作为蘑菇结构14和圆形贴片2的金属地板，所述上表面金属层9的中心位置嵌入有圆形孔缝隙12，所述印刷在上层PCB基板1的圆形贴片2以及印刷在下层PCB基板8上的蘑菇结构14为全向和定向方向图可重构天线集成的两部分辐射元件；所述上层PCB基板1和下层PCB基板8通过尼龙螺钉7连接，且所述上层PCB基板1和下层PCB基板8紧贴在一起，中间没有空气缝隙，所述全向和定向方向图可重构天线由同轴探针馈电，所述同轴探针的内芯3与圆形贴片2连接，所述同轴探针的外壳13与蘑菇结构14的下表面金属层10连接。
本实施例中，全向和定向方向图可重构天线的上层结构为一个圆形贴片2，下层为一个蘑菇结构14，两者均采用印刷电路板技术分别被印刷在两个介质基板上（上层PCB基板1、下层PCB基板8）。上层PCB基板1和下层PCB基板8通过四个尼龙螺钉7拧紧，紧贴在一起。
本实施例中，如图1所示，圆形贴片2被印刷在上层PCB基板1的上表面中心位置处。圆形贴片2中心处刻有一个十字形插槽4，并在里面嵌入了四个PIN二极管5，四个PIN二极管5由圆形贴片2四周的四个直流偏置电路6一一对应控制通断情况。本发明通过在中心馈电的圆形贴片2上引入四个PIN二极管5等效了传统贴片的偏置馈电，实现了贴片天线的阻抗匹配，并由PIN二极管5的工作状态控制了圆形贴片2上的电流方向和极化可重构特性。蘑菇结构14的下表面金属层10同时作为圆形贴片2和蘑菇结构14的金属地板，从而形成了紧凑的天线结构。
本实施例中，如图2所示，图2为基于奇偶模原理的方向图可重构天线的下层蘑菇结构14。蘑菇结构14由印刷在下层PCB基板8的上表面金属层9、下表面金属层10和一圈间隔均匀的短路针11组成。
本实施例中，上表面金属层9和下表面金属层10分别印刷在下层PCB基板8的上下表面，短路针11的实现是通过在下层PCB基板8上打金属通孔。
本实施例中，全向和定向方向图可重构天线集成了两部分辐射元件，即印刷在上层PCB基板1的圆形贴片2（如图1）和印刷在下层PCB基板8的蘑菇结构14（如图3）。这两个PCB基板（上层PCB基板1、下层PCB基板8）通过四个尼龙螺钉7拧紧，紧贴在一起中间没有空气缝隙。
本实施例中，全向和定向方向图可重构天线由同轴电缆馈电，同轴探针的内芯3与圆形贴片2相连，同轴探针的外壳13与蘑菇结构14的下表面金属层10相连。为了用单个端口同时激发圆形贴片2和蘑菇结构14，在蘑菇结构14的上表面金属层9的中心位置嵌入了一个小的圆形孔缝隙12。因此，能量可以直接馈送到圆形贴片2上，并通过电容耦合到蘑菇结构14上，从而实现了这两个辐射元件的同相馈电。
本实施例中，当四个PIN二极管5都断开时，只有蘑菇结构14被激励。通过调整短路针11的位置，使蘑菇结构14工作在零阶谐振模式。此时它产生相对于地平面的均匀垂直电场，在水平金属表面上形成的电流呈中心对称的径向分布，且辐射方向图为水平全向，为偶模。当有且仅有一个PIN二极管5处于闭合状态时，圆形贴片2和蘑菇结构14同时被激励。此时圆形贴片2工作在基模，电流沿极化方向均匀同相分布，辐射方向图为侧射，为奇模。圆形贴片2的电流分布是单向的，而蘑菇结构14是沿径向发散的。两者满足奇偶模叠加原理，在远场处形成一个准端射的定向辐射。因此，四个PIN二极管5分布闭合时，将产生四个对称的定向准端射状态。需要注意的是，嵌入的PIN二极管5没有完全沿轴向，这是因为综合考虑到直流偏置电路6的加载，使得PIN二极管5稍微沿坐标轴偏移了一些，因此极化和最大辐射方向与轴向产生了轻微的-30°偏差。
具体地，如图4所示，四个PIN二极管5分别被命名为D1、D2、D3和D4。四个PIN二极管5对称分布，可实现圆形贴片2的四种极化模式。与蘑菇结构14产生的偶模叠加可以得到四种定向辐射状态。当有且只有一个PIN二极管5处于闭合状态，其他PIN二极管5处于断开状态时，命名为状态一、状态二、状态三和状态四。四个可重构的准端射定向波束分别在φ=150°、240°、330°和60°四个平面实现最大辐射。这四种定向辐射方向图的俯视图见图4。在所有四个PIN二极管5都处于断开状态的情况下，形成了由蘑菇结构14引导的全向辐射模式，即状态五。如图5所示，左边为状态一的辐射方向图的侧视图，右边为状态五的辐射方向图的侧视图。本发明天线的不同辐射状态下，开关使用情况和定向辐射角度如下表1所示，表1为开关使用情况和定向辐射角度表。
表1
最终阻抗带宽由图6所示，可以看到，定向和全向辐射模式都能覆盖2.40~2.48GHz频段，图6中，横坐标表示频率，单位为GHz（吉赫兹），纵坐标为，表示阻抗匹配，单位为dB。最终仿真的方向图如图7~图10所示，图7是在θ=90°平面上的状态一~状态四的辐射方向图，θ表示坐标系中的参数（θ表示该点的位矢与z轴的夹角，即极角；φ表示该点的位矢在XOY平面上的投影与x轴的夹角，即方位角）。图8是状态一在φ=150°平面上的辐射方向图。图9是在φ=0°平面上的状态五的辐射方向图。图10是在θ=90°平面上的状态五的辐射方向图。可以看到，同时实现了定向和全向辐射模式，并且四个定向辐射状态完全覆盖了360°水平面。图7中外圈数字表示角度φ，图8中外圈数字表示角度θ，图9中外圈数字表示角度θ，图10中外圈数字均表示角度φ，图7-图10的径向轴上的数字均表示增益（即刻度线上的数字），单位为dBi，图8-图10中虚线表示测试，实线表示仿真，图7中线条分别表示状态一、状态二、状态三以及状态四的辐射方向图。
由此可见，该全向和定向方向图可重构天线实现了单端口、平面化、全向和定向切换和全平面波束扫描等优点，适合被应用于智能Wi-Fi系统。
本实施例中，本发明紧凑集成了一对辐射体，基于奇偶模原理，解决了传统偶模辐射元件的奇模辐射元件的设计单一化、尺寸大和结构不紧凑的问题；本发明提出基于零阶谐振的蘑菇结构14，实现了垂直放置偶模元件的低剖面和结构紧凑；本发明中圆形贴片2和蘑菇结构14共用一个金属地板，实现了紧凑和平面化的结构；本发明提出的奇偶模原理的全向和定向方向图可重构天线，采用单端口设计，并在此基础上实现了方向图可重构；本发明引入较少PIN二极管5，实现了一个全向和四个定向两种辐射模式的方向图可重构天线；本发明解决了传统奇偶模方向图分集天线的定向辐射扫描范围有限的问题，实现了360°全水平面的波束覆盖范围；本发明中各辐射元件全部由PCB组成，成本低且结构简单，只需印刷金属片、金属打孔和焊接PIN二极管5，易于组装和量产；本发明中全向和定向方向图可重构天线采用同轴馈电，实现了不同状态下的良好阻抗匹配。

Claims (1)

1.一种基于奇偶模原理的全向和定向方向图可重构天线，其特征在于，包括上层PCB基板（1）、下层PCB基板（8）、印刷在上层PCB基板（1）上的圆形贴片（2）以及印刷在下层PCB基板（8）上的蘑菇结构（14），所述上层PCB基板（1）和下层PCB基板（8）紧贴在一起；
所述圆形贴片（2）印刷在上层PCB基板（1）的上表面中心位置处，所述圆形贴片（2）的中心处刻有十字形插槽（4），所述十字形插槽（4）内嵌入有四个对称分布的PIN二极管（5），所述圆形贴片（2）的四周设置有四个直流偏置电路（6），所述四个直流偏置电路（6）分别一一对应控制四个PIN二极管（5）的通断情况；
所述蘑菇结构（14）包括上表面金属层（9）、下表面金属层（10）以及一圈间隔均匀的短路针（11）；
所述上表面金属层（9）和下表面金属层（10）分别印刷在下层PCB基板（8）的上下表面，所述短路针（11）为下层PCB基板（8）中设置的金属通孔；所述蘑菇结构（14）的下表面金属层（10）同时作为蘑菇结构（14）和圆形贴片（2）的金属地板；所述上表面金属层（9）的中心位置嵌入有圆形孔缝隙（12）；
所述圆形贴片（2）以及蘑菇结构（14）为全向和定向方向图可重构天线集成的两部分辐射元件；
所述上层PCB基板（1）和下层PCB基板（8）通过尼龙螺钉（7）连接，且所述上层PCB基板（1）和下层PCB基板（8）紧贴在一起，中间没有空气缝隙；
所述全向和定向方向图可重构天线由同轴探针馈电，所述同轴探针的内芯（3）与圆形贴片（2）连接，所述同轴探针的外壳（13）与蘑菇结构（14）的下表面金属层（10）连接。
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