CN208028218U - 一种方向图可重构的天线阵 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种方向图可重构的天线阵，包括圆形的金属地板，所述金属地板的中心位置设有有源单元，所述有源单元的周边环绕排列有天线阵，所述天线阵包括3‑9个单极天线；每个所述单极天线均通过PIN管与所述金属地板连接。本实用新型实现了方向图方位面360°扫描和定向增益增强设计，大幅提升了天线的智能化特征，同时采用本实用新型的天线阵，具有方向图可重构扫描和增益增强的特性。

Description

一种方向图可重构的天线阵

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，涉及一种方向图可重构的天线阵。

背景技术

可重构技术是推动天线向同一物理口径实现功能多样化发展的重要技术手段，通过使用微机械系统开关(MEMS)、二极管开关、场效应管(FET)开关等改变天线的辐射结构以实现工作模式切换，如改变方向图形状、方向图波束指向、工作频率、极化方式等电特性。通常RF开关可在纳秒级别内实现开关状态切换，因此基于RF MEMS、PIN管开关控制的电可重构天线可以根据不同的工作要求，快速实现特定电性能切换工作。

用于卫星通信、移动通信终端的新型可重构阵列中全向天线单元的性能优劣直接决定整个阵列的工作带宽、极化纯度、增益水平等指标，并影响整个阵列全程自动跟踪、波束扫描及复杂电磁环境下系统高精度重定向跟踪功能。对现有技术多种全向天线方案进行了论证比对分析，圆柱面的贴片全向天线，其不圆度较好，但带宽较窄且造价高、结构复杂、实现困难；各种新型的平板单极天线及其变种，虽然阻抗带宽很宽，通过多点馈电不圆度也可以达到要求，但是它的辐射仰角较低且增益过低，在仰角90度的附近几乎没有辐射，不适合于空间立体通信；以印刷偶极子或折合振子为单元的阵列天线，结构较为理想，但很难兼顾增益与带宽地要求，若有匹配网络加载，在较高的工作频率时，匹配网络得损耗也将难以忽略。以上各种形式天线均无法同时满足通信中对增益、宽带、良好全向特性及结构紧凑的需要。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种增益可定向增强、宽频带工作、良好方位面全向覆盖特性的方向图可重构的天线阵，实现了方向图方位面360°扫描和定向增益增强设计，大幅提升了天线的智能化特征，同时采用本实用新型的天线阵，具有方向图可重构扫描和增益增强的特性。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种方向图可重构的天线阵，包括圆形的金属地板，所述金属地板的中心位置设有有源单元，所述有源单元的周边环绕排列有天线阵，所述天线阵包括3-9个单极天线；

每个所述单极天线均通过PIN管与所述金属地板连接，通过通电和断电来实现PIN管工作中正向或反向的的偏置状态。

进一步地，所述有源单元包括基板，印刷于基板上的平行双导线、等效辐射臂和宽带巴伦，所述平行双导线的两端分别与所述等效辐射臂和所述宽带巴伦连接；所述宽带巴伦与所述金属地板连接。

进一步地，所述宽带巴伦内设置有馈电激励，所述馈电激励的高度与所述宽带巴伦的高度相同。

进一步地，所述基板上还印刷有宽带阵子辐射臂，所述宽带阵子辐射臂与所述平行双导线靠近所述等效辐射臂的一端连接。

进一步地，所述宽带阵子辐射臂包括连接板和位于连接板两侧的辐射臂，所述辐射臂为喇叭形结构，且所述喇叭形结构的喇叭口朝向所述金属地板。

进一步地，所述有源单元还包括介质支撑结构，所述介质支撑结构的两侧分别与激励双线结构和所述基板连接。

进一步地，所述有源单元通过高频插座与所述金属地板插接。

进一步地，所述天线阵包括6个单极天线。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型中，通过在有源单元的周边设置有单极天线并形成天线阵，通过调整PIN管，实现了方向图方位面360°扫描，和定向增益增强设计，大幅提升了天线的智能化特征，同时采用本实用新型的天线阵，具有方向图可重构扫描和增益增强的特性。

本实用新型中，改变PIN管的偏置状态，便可有效而简便地控制无源阵子单元在反射与引向两种工作状态间实现快速切换，从而改变天线阵列方向图主瓣指向，实现可重构阵列天线波束扫描、跟踪、增强及重定向功能。该全向天线阵列具有体积小、重量轻、结构简单、性能稳定、损耗低的优点，相对于传统全向天线而言，有着很强的方向图重构增强扫描能力和宽频带工作特性。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种方向图可重构的天线阵的主视图；

图2是本实用新型提供的有源单元的主视图；

图3是本实用新型提供的有源单元的右视图；

图4-A是本实用新型提供的实施例1中波束1位置时的方向图；

图4-B是本实用新型提供的实施例1中波束2位置时的方向图；

图4-C是本实用新型提供的实施例1中波束3位置时的方向图；

图5-A是本实用新型提供的实施例1中波束1位置时的场强分布仿真图；

图5-B是本实用新型提供的实施例1中波束2位置时的场强分布仿真图；

图5-C是本实用新型提供的实施例1中波束3位置时的场强分布仿真图；

图6-A是本实用新型提供的实施例1中波束4位置时的方向图；

图6-B是本实用新型提供的实施例1中波束5位置时的方向图；

图6-C是本实用新型提供的实施例1中波束6位置时的方向图；

图7-A是本实用新型提供的实施例1中波4位置时的场强分布仿真图；

图7-B是本实用新型提供的实施例1中波束5位置时的场强分布仿真图；

图7-C是本实用新型提供的实施例1中波束6位置时的场强分布仿真图；

图8是本实用新型提供的实施例1中波束1-3位置时的增强方向图；

图9是本实用新型提供的实施例1中波束4-6位置时的增强方向图；

图10是本实用新型提供的本实用新型中缺少单极天线的方向图；

图中：

1、金属地板；2、有源单元；3、单极天线；4、基板；5、平行双导线；6、等效辐射臂；7、宽带巴伦；8、馈电激励；9、宽带阵子辐射臂；901、连接板；902、辐射臂；10、介质支撑结构；11、激励双线结构；12、高频插座；13、PIN管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

参照附图1-6所示，本实用新型提供一种方向图可重构的天线阵，包括金属地板1，所述金属地板1的中心位置设有有源单元2，所述有源单元2的周边环绕排列有天线阵，所述天线阵包括3-9个单极天线3；

3-9个所述单极天线3均匀环绕于所述有源单元2的周边；

每个所述单极天线3均通过PIN管13与所述金属地板1连接，通过通电和断电来实现PIN管13工作中正向或反向的的偏置状态。具体是直流偏压通断实现工作状态切换。即偏置状态通过加断电来实现导通和断开两种状态；而采用金属地板1，利用金属地板1的PEC反射特性，如果为非金属则无法实现电磁波的倒相反射特性，会严重影响阵列天线的辐射方向图。

本实用新型中，金属底板1最好为对称结构，有利于方向图实现良好的旋转对称性。优选圆形，因为天线阵是环绕结构，圆形结构的直径约为1个波长。

本实用新型中，在有源单元2的基础上增加了天线阵列设计，即本实用新型由两部分组成，一部分是中心主辐射单元（有源单元2），另一部分是周向等间距排列的3-9个无源单极天线（单极天线3）部分。采用PIN管实现周向无源单极天线3与金属反射地板1的连接状态变化控制，在原有固定波束、低增益、全向覆盖、方向图固定设计基础上，实现了方向图方位面360°扫描，和定向增益增强设计，大幅提升了天线的智能化特征，使得采用该组阵方式的全向天线，具有方向图可重构扫描和增益增强特性。

具体地，单极天线3的数量优选为6个。

本实用新型提出了基于超低剖面全向印刷天线主辐射单元及单极子阵列的新型方向图可重构扫描增益增强天线，解决了传统单极及其变形全向天线增益低、带宽窄、不圆度差、低仰角增益低、结构复杂等问题，而且实现了从低增益全向波束覆盖到定向高增益“凝视”波束形成的智能化、一体化、便捷化解决方案。通过一体化平面印刷工艺和偶极变形阵列辐射结构与指数渐变宽频带匹配设计技术，实现宽带、中等增益、边射方向最大辐射设计，高不圆度等性能，是理想的高性能全向天线拓扑形式，具有良好的工程应用前景。通过阵列天线设计和智能化技术，可以实现方向图方位面360°智能扫描与增强设计。

进一步地，本实用新型中，有源单元2包括基板4，印刷于基板4上的平行双导线5、等效辐射臂6和宽带巴伦7，所述平行双导线5的两端分别与所述等效辐射臂6和所述宽带巴伦7连接；所述宽带巴伦7与所述金属地板1连接。平行双导线5的功能是实现等效辐射双臂6的阻抗变换和馈电激励，等效辐射臂6的作用是将高频电流转换为向空间辐射的电磁波，7的作用是通过1/4波长阻抗变换段实现，目标频点的最佳阻抗匹配。

进一步地，所述宽带巴伦7内设置有馈电激励8，其实现微带转同轴馈电激励功能，方便与高频电缆互联所述馈电激励8的高度与所述宽带巴伦7的高度相同。

进一步地，所述基板4上还印刷有宽带阵子辐射臂9，可以改善天线输入阻抗的频变特性，展宽天线工作带宽所述宽带阵子辐射臂9与所述平行双导线5靠近所述等效辐射臂6的一端连接。

进一步地，所述宽带阵子辐射臂9包括连接板901和位于连接板901两侧的辐射臂902，所述辐射臂902为喇叭形结构，喇叭形结构的作用是使得天线输入阻抗在宽频带范围内区域稳定值，以实现天线宽带工作性能；连接板901为微带馈线的一部分，通过调整连接板901的长度实现天线方位面优异的全向辐射特性，使得不同切面方向图波瓣宽度具有很好的等化特性和旋转对称性。且所述喇叭形结构的喇叭口朝向所述金属地板1。

进一步地，所述有源单元2还包括介质支撑结构10，通过介质支撑结构10，首先是起到印刷天线结构的支撑作用；其次，通过介质加载慢波结构设计实现天线的小型化目的，所述介质支撑结构10的两侧分别与激励双线结构11和所述基板4连接。由天线原理决定的，形成等效双线激励结构和印刷天线辐射结构。如果不采用介质基片10结构，两侧仅为纯金属结构，则天线尺寸会增大，另外天线结构的刚度和强度也会下降，而且天线加工与制造便捷性会下降。

进一步地，所述有源单元2通过高频插座12与所述金属地板1插接。

如图1-3所示，以该全向单元为主辐射全向单元构成7元方向图可扫描增强全向天线环阵。中心的主辐射为有源单元2，连接RF收发器，周边环绕排列6个轻量化无源寄生全向阵子单元（单极天线3），分别通过PIN管13与金属地板1连接。改变PIN管13的偏置状态，便可有效而简便地控制无源阵子单元（单极天线3）在反射与引向两种工作状态间实现快速切换，从而改变天线阵列方向图主瓣指向，实现可重构阵列天线波束扫描、跟踪、增强及重定向功能。该全向天线阵列具有体积小、重量轻、结构简单、性能稳定、损耗低的优点，相对于传统全向天线而言，有着很强的方向图重构增强扫描能力和宽频带工作特性。

对于可重构天线设计，究其本质是改变天线表面的电流分布，从而改变辐射场的分布，因此其输入阻抗、工作频率和方向图形状等电特性随之改变。而对天线的电流分布实现扰动，最直接也是最有效的办法，即是改变天线的辐射体结构。而PIN管13就是天线在不同结构状态间实施切换的控制开关，作用之重要可见一斑。PIN管13与普通二极管相比，当工作于100MHz以下类似普通管子；当大于100MHz小于30Ghz时，呈现开关特性。当PIN管13导通时，阻抗约2ohm；截止时约6kilohms，且差损小，加载效应小。因此非常适合应用于可重构天线设计工程领域。通过分别控制编号为1－6的PIN管在开/关状态间切换，通过表1的数据可以看出状态切换的变化，其中1带表导通，0带表断开；另外后面不同指向的扫描方向图附图也与PIN状态变化一一对应从而改变周围无源阵子天线的电流分布，使其分别工作在引向与反射状态，从而实现阵列波束重定向扫描功能。

实施例1

本实施例中，包括圆形的金属地板1，所述金属地板1的中心位置设有有源单元2，所述有源单元2的周边环绕排列有天线阵，所述天线阵包括6个单极天线3；6个所述单极天线3均匀环绕于所述有源单元2的周边；

每个所述单极天线3均通过PIN管13与所述金属地板1连接。

此时，单极天线3为6个，PIN管13为6个，分别标号为PIN-1至PIN-6，其具体开关设置状态如下表（1）所示，通过不同的开关组合设置，便可以实现方向图从全向辐射状态快速切换至波束跳变扫描增强辐射状态。

表（1）

参照附图4所示，其分别为波束1-波束3位置时的方向图；参照附图5所示，其分别为波束1-波束3位置时的场强分布仿真图；

参照附图6所示，其分别为波束4-波束6位置时的方向图；参照附图7所示，其分别为波束4-波束6位置时的场强分布仿真图；

图8是本实用新型提供的实施例1中波束1-3位置时的增强方向图；图9是本实用新型提供的实施例1中波束4-6位置时的增强方向图从附图及表1可以看出随着PIN管通断状态的切换与组合，可以实现全向天线方位面360度范围内扫描工作，波束指向精确，性能良好。因此该方向图可重构印刷天线可以进行自适应增益增强与扫描，使延迟波方向的增益最小，有效降低信号衰落的影响，同时实现自适应抗干扰功能，提高输出SINR，从而提升系统通信质量与可靠性；其次根据信号的空间特征矩阵可以快速估计目标的位置，实现自适应跟踪等功能。

参照附图10，其为不加周围6个单极天线3结构之前仅中心有源单元的方向图，可以明显的看出，方向图仅为全向辐射特性，不具备方向性，在各个角度增益大小都一样，无法实现360°全方位扫描和增益增强设计。不如增加单极天线3后合适。

参照附图1-3所示，本实用新型中心印刷主辐射单元为全向天线单元，采用等效为双导线模型来对振子进行耦合馈电，将微波信号从微带线耦合到振子贴片上，再由振子臂辐射到自由空间。调整两臂间距可以获得比较理想的全向特性，同时调整天线工作频率、带宽及最大辐射方向至需求方向，应根据实际需要权衡取舍。背面指数渐变线（即结构图中的虚线包围部分）作用之一是用于分离两个振子且为馈电网络微带线提供空间并与正面的贴片构成双线耦合结构对振子馈电；其次结合天线辐射体的外形尺寸，实现宽频带工作。以中心主辐射单元为中心，采用圆环阵列组阵方式，周向等间距排列6个无源单极天线，形成7元方向图可扫描增强阵列天线。每个无源单极天线采用PIN管与纯金属反射板相连接，通过改变PIN管的偏执状态，实现各个无源单极天线的状态切换，当为导通状态时，无源单极天线起到反射器的作用；当状态为断开状态时，无源单极起到引向作用，使得中心全向天线方向图在该引向单极天线方位实现增强，从而改变天线方向图的空间分布，实现方向图智能增强设计；通过采用上表所示各个无源单极天线的导通与断开状态组合，实现方向图方位面的全向扫描与增益增强设计。从而大幅加强原中心全向天线的方向图智能重构能力，实现工作模式拓展与增强。

本实用新型提出的天线阵中心全向印刷主辐射单元天线，解决了传统单极及其变形全向天线增益低、带宽窄、不圆度差、低仰角增益低、结构复杂等问题。通过一体化平面印刷工艺和偶极变形阵列辐射结构与指数渐变宽频带匹配设计技术，实现宽带、中等增益、边射方向最大辐射设计，高不圆度等性能，是理想的高性能全向天线拓扑形式，具有良好的工程应用前景。H面不圆度为1dB，最大辐射方向在,增益为4dB。通过阵列天线设计和智能化技术，以该单元为中心的主辐射有源单元，连接RF收发器，周边环绕排列6个轻量化无源寄生全向阵子单元，分别通过PIN管与地板连接。改变PIN管的偏置状态，便可有效而简便地控制无源阵子单元在反射与引向两种工作状态间实现快速切换，从而改变天线阵列方向图主瓣指向，实现可重构阵列天线波束扫描、跟踪、增强及重定向功能。该全向天线阵列具有体积小、重量轻、结构简单、性能稳定、损耗低的优点，相对于传统全向天线而言，有着很强的方向图重构增强扫描能力和宽频带工作特性。可以实现方向图方位面360°智能扫描与增强设计。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种方向图可重构的天线阵，其特征在于，包括金属地板（1），所述金属地板（1）的中心位置设有有源单元（2），所述有源单元（2）的周边环绕排列有天线阵，所述天线阵包括3-9个单极天线（3）；

每个所述单极天线（3）均通过PIN管（13）与所述金属地板（1）连接，通过通电和断电来实现PIN管（13）工作中正向或反向的偏置状态。

2.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的天线阵，其特征在于，所述有源单元（2）包括基板（4），印刷于基板（4）上的平行双导线（5）、等效辐射臂（6）和宽带巴伦（7），所述平行双导线（5）的两端分别与所述等效辐射臂（6）和所述宽带巴伦（7）连接；所述宽带巴伦（7）与所述金属地板（1）连接。

3.根据权利要求2所述的一种方向图可重构的天线阵，其特征在于，所述宽带巴伦（7）内设置有馈电激励（8），所述馈电激励（8）的高度与所述宽带巴伦（7）的高度相同。

4.根据权利要求2所述的一种方向图可重构的天线阵，其特征在于，所述基板（4）上还印刷有宽带阵子辐射臂（9），所述宽带阵子辐射臂（9）与所述平行双导线（5）靠近所述等效辐射臂（6）的一端连接。

5.根据权利要求4所述的一种方向图可重构的天线阵，其特征在于，所述宽带阵子辐射臂（9）包括连接板（901）和位于连接板（901）两侧的辐射臂（902），所述辐射臂（902）为喇叭形结构，且所述喇叭形结构的喇叭口朝向所述金属地板（1）。

6.根据权利要求2所述的一种方向图可重构的天线阵，其特征在于，所述有源单元（2）还包括介质支撑结构（10），所述介质支撑结构（10）的两侧分别与激励双线结构（11）和所述基板（4）连接。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种方向图可重构的天线阵，其特征在于，所述有源单元（2）通过高频插座（12）与所述金属地板（1）插接。

8.根据权利要求7所述的一种方向图可重构的天线阵，其特征在于，所述天线阵包括6个单极天线（3）。