CN207217750U - 一种宽带多重极化可重构全向天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种宽带多重极化可重构全向天线,包括上下两个介质基板、水平环、单极子、宽带馈电网络、L型微带线和阻抗匹配网络。所述单极子由顶层加载和4根完全相同的短路柱以及锥形馈电结构组成,所述顶层加载印制在上面的介质基板背面,所述4根完全相同金属短路钉和锥形馈电结构位于上下两个介质基板中间,所述水平环印制在下面介质基板背面,所述宽带馈电网络、L型微带线和阻抗匹配网络相连并位于下面截止基板正面。本天线可在1.7‑2.2GHz频段内实现水平、垂直、圆极化三种极化方式的可重构。
Description
技术领域
本实用新型涉及移动通信天线领域,具体涉及一种宽带多重极化可重构全向天线。
背景技术
随着科学技术的进步,人们对信息的需求量前所未有地增加,使得通信技术得到突飞猛进地发展。作为通信领域的一个重要分支,无线通信因其摆脱了对物理传输线的依赖,在国防、民生等各个领域得到了广泛应用。而天线是无线电设备的信息出入口,天线性能的优劣直接影响整个无线通信系统的通信质量。
相比于普通天线,极化可重构天线可以提高空间自由度以便于提高无线通信系统的系统容量,提高频谱利用率,改善通信系统的传输速率。另外,极化可重构天线对于多径效应造成的信号衰落也有一定的抑制作用,提高系统对干扰信号的免疫能力。
全向天线是指在水平面360°均匀辐射,垂直面内有一定波束宽度的天线,故其发射的信号可以被水平面任意方位的接收端接收,同时可接收水平面各个方向的信号,在通信系统中一般应用于大范围覆盖、点对多点通信系统中。
目前的全向极化可重构天线多是通过动态改变天线辐射体或改变馈电网络的馈电路径两种方法实现全向极化可重构。前者将控制极化方式的射频开关置于天线辐射体上,后者将可控射频开关设置于馈电结构上。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷,提供一种宽带多重极化可重构全向天线。
本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到:
一种宽带多重极化可重构全向天线,所述天线包括:上层介质基板、下层介质基板、单极子4,所述单极子4包括顶层加载12、4个完全相同的金属短路钉和锥形馈电结构13,所述上层介质基板的背面印制有单极子 4的顶层加载12,所述下层介质基板的背面印制有由四个印刷偶极子组成的水平环1,所述下层介质基板的正面印制有为所述水平环1馈电的宽带馈电网络2、L型微带线和使水平极化、垂直极化、右旋圆极化覆盖同一频段的阻抗匹配网络3;
所述单极子4位于所述水平环1的正上方中间位置,所述单极子4由所述锥形馈电结构13馈电,所述锥形馈电结构13紧贴于所述顶层加载12 并位于所述顶层加载12和所述下层介质基板之间,4个金属短路钉与上、下层介质基板中心连线平行并以该中心连线为圆心等半径均匀间隔设置,连接上、下层介质基板的金属部分。
进一步地,所述顶层加载12中间开有一个环形缝隙14,所述锥形馈电结构13的上部开口的半径与所述环形缝隙14的内径相同,所述锥形馈电结构13的下部与一个金属探针15相连,通过所述金属探针15连接到所述阻抗匹配网络3上。
进一步地,所述水平环1为全平面化,由4个完全相同的弧形印刷偶极子绕水平面原点均匀分布而成,相邻的偶极子两臂之间设置有四条槽线,分别为第一槽线6A、第二槽线6B、第三槽线6C、第四槽线6D。
进一步地,所述宽带馈电网络2包括4个阻抗变换器8,每个阻抗变换器8由一根弯曲设置的微带线构成,所述L型微带线包括第一L型微带线7A、第二L型微带线7B、第三L型微带线7C和第四L型微带线7D,各个L型微带线的末端开路,另一端分别与四个阻抗变换器8相连,四个阻抗变换器8的弯曲设置的微带线由四路首先汇聚为两路,然后由两路汇聚为一路,并通过该汇聚的最后一路与所述阻抗匹配网络3相连。
进一步地,所述阻抗匹配网络3包括第一微带线9A、第二微带线9B、第三微带线10A、第四微带线10B、第五微带线11A、第六微带线11B,其中,所述第一微带线9A和所述第二微带线9B组成第一段阻抗匹配微带线,所述第三微带线10A和所述第四微带线10B组成第二段阻抗匹配微带线,所述第五微带线11A和所述第六微带线11B组成第三段阻抗匹配微带线;
所述阻抗匹配网络3还包括射频开关,分别为第一开关S1、第二开关 S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6和第七开关S7,其中,所述第一开关S1位于所述第一微带线9A与所述第三微带线10A之间;所述第二开关S2位于所述第一微带线9A和所述第二微带线9B之间;所述第三开关S3位于所述第二微带线9B和所述第四微带线10B之间;所述第四开关S4位于所述第四微带线10B与所述第六微带线11B之间;所述第五开关S5位于所述第五微带线11A与所述第六微带线11B之间;所述第六开关S6位于所述第三微带线10A与所述第五微带线11A之间;所述第七开关S7位于所述第三微带线10A与所述第四微带线10B之间。
进一步地,当所述第一开关S1和所述第二开关S2闭合,其他开关断开时,射频信号从馈电端口沿所述第一段阻抗匹配微带线到所述宽带馈电网络2,给所述水平环1馈电,实现天线水平极化工作方式;当所述第一开关S1、所述第七开关S7、所述第三开关S3、所述第四开关S4闭合,而其他开关断开时,射频信号从馈电端口同时给所述水平环1和所述单极子4馈电,并使用所述第一微带线9A做阻抗匹配,实现天线右旋圆极化工作方式;当所述第六开关S6、所述第五开关S5闭合,而其他开关断开时,射频信号从馈电端口沿所述第五微带线11A与所述第六微带线11B给所述单极子4馈电,实现天线垂直极化工作方式。
进一步地,所述L型微带线和印制在介质基板背面的所述槽线构成巴伦结构,该巴伦结构实现对每对弧形印刷偶极子的平衡馈电。
进一步地,所述第一段阻抗匹配微带线、所述第二段阻抗匹配微带线、所述第三段阻抗匹配微带线的长度相同,均为λg/4,其中,λg为电磁波在中心频率2GHz对应介质中的波长。
进一步地,所述弧形印刷偶极子的中心半径长度范围为0.25λ0~ 0.35λ0,内、外半径长度范围分别为0.22λ0~0.32λ0和0.28λ0~ 0.38λ0,其中,λ0为电磁波在中心频率2GHz所对应自由空间的波长,每个相邻偶极子间有间隔角度。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果:
本实用新型公开的宽带多重极化可重构全向天线为低剖面紧凑型结构,易于制作、占用空间小,具有全向辐射特性,三种极化特性均实现了 1.7-2.2GHz的全频段覆盖和主极化分量比交叉极化分量大15dB以上的参数指标,满足了尺寸小、全向性、极化可重构和宽带的要求。
附图说明
图1是本实用新型中公开的宽带多重极化可重构全向天线的整体结构示意图;
图2是由四个弧形印刷偶极子构成的水平环;
图3是水平环形天线的宽带馈电网络;
图4是使三种极化工作在同一频段的匹配电路;
图5是带有顶层加载和金属短路钉的低剖面单极子;
图6是三种极化方式的带宽图;
图7是圆极化轴比的带宽图;
图8(a)和图8(b)分别是水平极化工作方式在2.0GHz时水平面和垂直面的方向图;
图9(a)和图9(b)分别是垂直极化工作方式在2.0GHz时水平面和垂直面的方向图;
图10(a)和图10(b)分别是圆极化工作方式在2.0GHz时水平面和垂直面的方向图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
实施例
如图1所示,一种宽带极化可重构全向天线,包括上层介质基板、下层介质基板、单极子4,该单极子4包括顶层加载12、4个完全相同的金属短路钉和锥形馈电结构13,所述上层介质基板的背面印制有单极子4的顶层加载,所述下层介质基板的背面印制有由四个印刷偶极子组成的水平环1,所述下层介质基板的正面印制有为水平环1馈电的宽带馈电网络2、 L型微带线和使三种极化(水平极化、垂直极化、右旋圆极化)覆盖同一频段的阻抗匹配网络3。
上层介质基板和下层介质基板采用厚度为0.8mm、介电常数为2.2、损耗正切为0.0009的罗杰斯5880板材。
所述单极子4位于所述水平环1的正上方中间位置,所述顶层加载12 中间开有一个环形缝隙14,所述锥形馈电结构紧贴于顶层加载并位于顶层加载和下层介质基板之间,所述4个金属短路钉与上、下层介质基板中心连线平行并以该中心连线为圆心等半径均匀间隔设置,连接上、下层介质基板的金属部分。
如图2所示是水平环1的结构。该水平环1为全平面化,由4个完全相同的弧形印刷偶极子绕水平面原点均匀分布而成。4个偶极子分别为第一偶极子5A、第二偶极子5B、第三偶极子5C、第四偶极子5D。相邻的偶极子两臂之间设置有槽线,分别为第一槽线6A、第二槽线6B、第三槽线 6C、第四槽线6D。所有偶极子长度均相等,约为0.5λ0,λ0为电磁波在 2GHz对应的自由空间的波长。
弧形偶极子的中心半径长度范围为0.25λ0~0.35λ0,内外半径长度范围分别为0.22λ0~0.32λ0和0.28λ0~0.38λ0,其中,λ0为电磁波在2GHz对应的自由空间的波长,每个相邻偶极子间有间隔角度。
本实施例中,偶极子中心半径为47.5mm,内外半径分别是42mm和53mm,每个相邻偶极子间的间隔角度约为3°。偶极子两臂之间槽线间距0.63mm,深度39mm。
天线辐射垂直极化波的产生单元是带有顶层加载和四个金属短路钉的单极子4。单极子4由锥形馈电结构馈电,顶层加载开了一个内径大小与锥形馈电结构的顶部圆大小一致的环形缝隙14。单极子的剖面高度为 0.1λ0。
如图3所示是水平环1的宽带馈电网络2和L型微带线。宽带馈电网络2包括4个阻抗变换器8,每个阻抗变换器8由一根弯曲设置的微带线构成,其中,每根微带线的长度相同,均为λg/4,其中,λg为电磁波在中心频率2GHz对应介质中的波长。
所述L型微带线包括第一L型微带线7A、第二L型微带线7B、第三L 型微带线7C和第四L型微带线7D,各个L型微带线的末端开路,另一端分别与四个阻抗变换器8相连。四个阻抗变换器8的弯曲设置的微带线由四路首先汇聚为两路,然后由两路汇聚为一路,并通过该汇聚的最后一路与阻抗匹配网络3相连。
其中,L型微带线和印制在介质基板背面的槽线构成巴伦结构,它能实现对所述每对印刷弧形偶极子的平衡馈电。
如图4所示是阻抗匹配网络3。所述阻抗匹配网络3包括第一微带线 9A、第二微带线9B、第三微带线10A、第四微带线10B、第五微带线11A、第六微带线11B,其中,第一微带线9A、第二微带线9B组成第一段阻抗匹配微带线,第三微带线10A、第四微带线10B组成第二段阻抗匹配微带线,第五微带线11A、第六微带线11B组成第三段阻抗匹配微带线。可见,阻抗匹配网络3由三段组成,即第一段阻抗匹配微带线、第二段阻抗匹配微带线和第三段阻抗匹配微带线,每段微带线的特征阻抗均为50Ω。第一段阻抗匹配微带线给水平环1馈电,产生水平极化波;第二段阻抗匹配微带线给水平环1和单极子4同时馈电,同时需要第一微带线9A做匹配,产生右旋圆极化波;第三段阻抗匹配微带线给单极子4馈电,产生垂直极化波。
该阻抗匹配网络3还包括射频开关,分别为第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6和第七开关S7,其中,第一开关S1位于第一微带线9A与第三微带线10A之间;第二开关S2 位于第一微带线9A和第二微带线9B之间;第三开关S3位于第二微带线 9B和第四微带线10B之间;第四开关S4位于第四微带线10B与第六微带线11B之间;第五开关S5位于第五微带线11A与第六微带线11B之间;第六开关S6位于第三微带线10A与第五微带线11A之间;第七开关S7位于第三微带线10A与第四微带线10B之间。
加载于阻抗匹配网络3中的射频开关是实现极化可重构的关键。通过合理控制开关,使得阻抗匹配网络的第一段、第二段、第三段和第二段的一部分分别通路,对应实现水平、垂直、圆极化波。
当第一开关S1和第二开关S2闭合,其他开关断开时,射频信号从馈电端口沿第一段阻抗匹配微带线到宽带馈电网络2,给水平环1馈电;当第一开关S1、第七开关S7、第三开关S3、第四开关S4闭合,而其他开关断开时,射频信号从馈电端口沿第二段阻抗匹配微带线和第二微带线9B、第六微带线11B同时给水平环1和单极子4馈电,并使用第一微带线9A 做阻抗匹配,实现圆极化工作方式;当第六开关S6、第五开关S5闭合,而其他开关断开时,射频信号从馈电端口沿第三段阻抗匹配微带线给单极子馈电,这种情况下产生垂直极化波。
如图5所示是一个带有顶层加载和四个金属短路钉的单极子4。所述顶层加载12是印制在上层介质基板背面、中间开有环形缝隙14的金属层。所述单极子由一个锥形馈电结构13馈电,该锥形馈电结构13上部开口的半径与所述环形缝隙14的内径相同。锥形馈电结构13的下部与一个金属探针15相连,金属探针15连接到图4中第六微带线11B上。所述金属短路钉可以帮助实现单极子小型化,包括第一金属短路钉16A,第二金属短路钉16B,第三金属短路钉16C,第四金属短路钉16D,所述金属短路钉与顶层加载的金属和水平环中间的金属相连。
如图6、图7、图8(a)、图8(b)、图9(a)、图9(b)、图10(a)、图10(b)所示,本实用新型采用七个开关实现了水平、垂直、圆极化多种方式的可重构,通过引入阻抗匹配网络使多种极化方式工作在同一频段 1.7GHz-2.2GHz,并在每一种工作方式中都实现了全向的电磁波辐射,真正意义上完成了多重极化可重构全向天线的设计。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式,但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种宽带多重极化可重构全向天线,其特征在于,所述天线包括:上层介质基板、下层介质基板、单极子(4),所述单极子(4)包括顶层加载(12)、4个完全相同的金属短路钉和锥形馈电结构(13),所述上层介质基板的背面印制有单极子(4)的顶层加载(12),所述下层介质基板的背面印制有由四个印刷偶极子组成的水平环(1),所述下层介质基板的正面印制有为所述水平环(1)馈电的宽带馈电网络(2)、L型微带线和使水平极化、垂直极化、右旋圆极化覆盖同一频段的阻抗匹配网络(3);
所述单极子(4)位于所述水平环(1)的正上方中间位置,所述单极子(4)由所述锥形馈电结构(13)馈电,所述锥形馈电结构(13)紧贴于所述顶层加载(12)并位于所述顶层加载(12)和所述下层介质基板之间,4个金属短路钉与上、下层介质基板中心连线平行并以该中心连线为圆心等半径均匀间隔设置,连接上、下层介质基板的金属部分。
2.根据权利要求1所述的一种宽带多重极化可重构全向天线,其特征在于,所述顶层加载(12)中间开有一个环形缝隙(14),所述锥形馈电结构(13)的上部开口的半径与所述环形缝隙(14)的内径相同,所述锥形馈电结构(13)的下部与一个金属探针(15)相连,通过所述金属探针(15)连接到所述阻抗匹配网络(3)上。
3.根据权利要求1所述的一种宽带多重极化可重构全向天线,其特征在于,所述水平环(1)为全平面化,由4个完全相同的弧形印刷偶极子绕水平面原点均匀分布而成,相邻的偶极子两臂之间设置有四条槽线,分别为第一槽线(6A)、第二槽线(6B)、第三槽线(6C)、第四槽线(6D)。
4.根据权利要求3所述的一种宽带多重极化可重构全向天线,其特征在于,所述宽带馈电网络(2)包括4个阻抗变换器(8),每个阻抗变换器(8)由一根弯曲设置的微带线构成,所述L型微带线包括第一L型微带线(7A)、第二L型微带线(7B)、第三L型微带线(7C)和第四L型微带线(7D),各个L型微带线的末端开路,另一端分别与四个阻抗变换器(8)相连,四个阻抗变换器(8)的弯曲设置的微带线由四路首先汇聚为两路,然后由两路汇聚为一路,并通过该汇聚的最后一路与所述阻抗匹配网络(3)相连。
5.根据权利要求1所述的一种宽带多重极化可重构全向天线,其特征在于,所述阻抗匹配网络(3)包括第一微带线(9A)、第二微带线(9B)、第三微带线(10A)、第四微带线(10B)、第五微带线11A、第六微带线11B,其中,所述第一微带线(9A)和所述第二微带线(9B)组成第一段阻抗匹配微带线,所述第三微带线(10A)和所述第四微带线(10B)组成第二段阻抗匹配微带线,所述第五微带线(11A)和所述第六微带线(11B)组成第三段阻抗匹配微带线;
所述阻抗匹配网络(3)还包括射频开关,分别为第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)、第四开关(S4)、第五开关(S5)、第六开关(S6)和第七开关(S7),其中,所述第一开关(S1)位于所述第一微带线(9A)与所述第三微带线(10A)之间;所述第二开关(S2)位于所述第一微带线(9A)和所述第二微带线(9B)之间;所述第三开关(S3)位于所述第二微带线(9B)和所述第四微带线(10B)之间;所述第四开关(S4)位于所述第四微带线(10B)与所述第六微带线(11B)之间;所述第五开关(S5)位于所述第五微带线(11A)与所述第六微带线(11B)之间;所述第六开关(S6)位于所述第三微带线(10A)与所述第五微带线(11A)之间;所述第七开关(S7)位于所述第三微带线(10A)与所述第四微带线(10B)之间。
6.根据权利要求5所述的一种宽带多重极化可重构全向天线,其特征在于,当所述第一开关(S1)和所述第二开关(S2)闭合,其他开关断开时,射频信号从馈电端口沿所述第一段阻抗匹配微带线到所述宽带馈电网络(2),给所述水平环(1)馈电,实现天线水平极化工作方式;当所述第一开关(S1)、所述第七开关(S7)、所述第三开关(S3)、所述第四开关(S4)闭合,而其他开关断开时,射频信号从馈电端口同时给所述水平环(1)和所述单极子(4)馈电,并使用所述第一微带线(9A)做阻抗匹配,实现天线右旋圆极化工作方式;当所述第六开关(S6)、所述第五开关(S5)闭合,而其他开关断开时,射频信号从馈电端口沿所述第五微带线(11A)与所述第六微带线(11B)给所述单极子(4)馈电,实现天线垂直极化工作方式。
7.根据权利要求3所述的一种宽带多重极化可重构全向天线,其特征在于,
所述L型微带线和印制在介质基板背面的所述槽线构成巴伦结构,该巴伦结构实现对每对弧形印刷偶极子的平衡馈电。
8.根据权利要求5所述的一种宽带多重极化可重构全向天线,其特征在于,
所述第一段阻抗匹配微带线、所述第二段阻抗匹配微带线、所述第三段阻抗匹配微带线的长度相同,均为λg/4,其中,λg为电磁波在中心频率2GHz对应介质中的波长。
9.根据权利要求3所述的一种宽带多重极化可重构全向天线,其特征在于,
所述弧形印刷偶极子的中心半径长度范围为0.25λ0~0.35λ0,内、外半径长度范围分别为0.22λ0~0.32λ0和0.28λ0~0.38λ0,其中,λ0为电磁波在中心频率2GHz所对应自由空间的波长,每个相邻偶极子间有间隔角度。
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