CN209516011U - 一种光控极化可重构单极子天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光控极化可重构单极子天线，包括反射板及介质基板，所述介质基板通过支撑结构固定在反射板的上方，所述介质基板的上表面印制天线辐射单元、寄生单元、微带线馈电单元及光开关，所述介质基板的下表面印制接地板单元；所述天线辐射单元包括一个C型单极子，所述C型单极子开有凹槽及L型槽；所述寄生辐射单元位于凹槽内，所述光开关位于微带线馈电单元与天线辐射单元的连接处；还包括同轴馈线单元，所述同轴馈线单元通过介质基板向微带线馈电单元馈电。本实用新型采用平面结构，使用反射板，使得天线定向辐射，具备良好的方向性，能实现三个模式的极化可重构。

Description

一种光控极化可重构单极子天线

技术领域

本实用新型涉及移动通信的研究领域，具体涉及一种光控极化可重构单极子天线。

背景技术

天线是无线通信中必不可少的一部分，随着无线通信技术的迅猛发展，天线技术也得到了飞速发展，为了降低无线通信系统的成本，多功能化、小型化、平面化和宽带化成为天线设计的主流趋势。为了实现多功能化，可重构天线技术成为现代无线通信关键技术之一，是天线理论与设计领域研究的热点。而极化可重构天线是研究的重点，因为它可以根据通信环境改变而实时切换通信质量最佳的极化方式。

为了实现天线在不同极化工作模式的切换，通常在天线系统中需要加入微波开关以实现天线极化方式的切换。在众多的微波开关中，光开关因其具有电磁兼容性良好优点，以及由于其不需要额外添加偏置电路从而使得天线设计更加简单的优点，这使得光控微波开关日渐成为研究的重点。

此外，随着无线通信的发展，无线通信环境越来越复杂，多径干扰和多径衰落严重，通信质量下降。而圆极化波因其特性，对于对抗多径衰落具有良好的效果。所以具备圆极化工作模式，也是极化可重构天线相对于传统可重构天线所具有的优势之一。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种光控极化可重构单极子天线。本实用新型能实现三种极化工作模式：LHCP、RHCP和45度LP。其中，天线在LHCP工作模式下，可实现98.9％的阻抗带宽和63.1％的轴比带宽，重叠频段1.9-3.65GHz(63.1％)的频段；天线在RHCP工作模式下，可实现98.9％的阻抗带宽和53.7％的轴比带宽，重叠频段2.25-3.7GHz(48.7％)的频段；天线在45度LP工作模式下，可实现81.3％的阻抗带宽。

本实用新型采用如下技术方案实现：

一种光控极化可重构单极子天线，包括反射板及介质基板，所述介质基板通过支撑结构固定在反射板的上方，所述介质基板的上表面印制天线辐射单元、寄生辐射单元、微带线馈电单元及光开关，所述介质基板的下表面印制接地板单元；

所述天线辐射单元包括一个C型单极子，所述C型单极子开有凹槽及L型槽；

所述寄生辐射单元位于凹槽内，所述光开关位于微带线馈电单元与天线辐射单元的连接处；

还包括同轴馈线单元，所述同轴馈线单元通过介质基板向微带线馈电单元馈电。

所述C型单极子为3/4圆环结构。

所述凹槽为两个，具体为第一凹槽及第二凹槽，凹槽开口设置在C型单极子的外边沿，第一凹槽及第二凹槽关于C型单极子的对称线对称。

所述光开关为硅片光开关，有两个，具体为第一硅片光开关和第二硅片光开关，所述第一硅片光开关在微带线馈电单元与C型单极子连接处的一侧，所述第二硅片光开关在微带线馈电单元与C型单极子连接处的一端，所述一侧为左侧或右侧，所述一端为上端或下端，所述微带线馈电单元位于介质基板的中心点。

所述L型槽为两个，分别为第一L型槽及第二L型槽，L型槽由C型单极子的内边沿背向C型单极子的圆心方向设置，两个L型槽关于C型单极子的对称线对称。

所述同轴馈线单元包括同轴线，所述同轴线内芯穿过介质基板与微带线馈电单元连接，所述同轴线外芯与接地板单元连接。

所述反射板为正方形。

所述天线辐射单元位于介质基板的中间位置。

所述支撑结构为塑料柱。

本实用新型控制两个硅片光开关实现天线极化方式可重构，具体为：

第一硅片光开关断开，第二硅片光开关导通，则天线处于工作LHCP模式；

第一硅片光开关导通，第二硅片光开关断开，则天线处于工作RHCP模式；

第一硅片光开关导通，第二硅片光开关导通，则天线处于工作与LP模式。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型采用C型宽带单极子，并在C型单极子外侧开对称凹槽，并在凹槽内增加寄生单元调节圆极化工作模式下的轴比，使得天线具有较宽的轴比带宽；此外在C型单极子内侧开对称的L型槽，调节匹配，有效提高了天线的阻抗带宽，实现了可重构天线的宽带化；

2、本实用新型采用平面结构，使用反射板，使得天线定向辐射，具备良好的方向性，能实现三个模式的极化可重构——LHCP、RHCP和45度LP，结构简单，制作成本低；

3、本实用新型采用硅片作为微波开关，硅光开关不需要外加偏置电路，结构简单，此外硅光开关具有良好的电磁兼容特性，对天线辐射影响小。大大提高系统的容量和安全性，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的三维结构示意图；

图2是本实用新型的俯视图；

图3是本实用新型的剖面图；

图4是本实用新型的实例实施图；

图5是本实用新型处于LHCP模式时的天线反射系数S11随频率Frequency变化而变化的曲线图；

图6是本实用新型处于LHCP模式时的天线轴比AR随频率Frequency变化而变化的曲线图；

图7是本实用新型处于LHCP模式时的天线增益Gain随频率Frequency变化而变化的曲线图；

图8是本实用新型处于LHCP模式时在2.7GHz的xoz平面方向图；

图9是本实用新型处于LHCP模式时在2.7GHz的yoz平面方向图；

图10是本实用新型处于LHCP模式时在3.4GHz的xoz平面方向图；

图11是本实用新型处于LHCP模式时在3.4GHz的yoz平面方向图；

图12是本实用新型处于RHCP模式时的天线反射系数S11随频率Frequency变化而变化的曲线图；

图13是本实用新型处于RHCP模式时的天线轴比AR随频率Frequency变化而变化的曲线图；

图14是本实用新型处于RHCP模式时的天线增益Gain随频率Frequency变化而变化的曲线图；

图15是本实用新型处于RHCP模式时在2.7GHz的xoz平面方向图；

图16是本实用新型处于RHCP模式时在2.7GHz的yoz平面方向图；

图17是本实用新型处于RHCP模式时在3.4GHz的xoz平面方向图；

图18是本实用新型处于RHCP模式时在3.4GHz的yoz平面方向图；

图19是本实用新型处于LP模式时的天线反射系数S11随频率Frequency变化而变化的曲线图；

图20是本实用新型处于LP模式时的天线增益Gain随频率Frequency变化而变化的曲线图；

图21是本实用新型处于LP模式时2.7GHz的平面方向图；

图22是本实用新型处于LP模式时3.4GHz的平面方向图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图3所示，一种光控极化可重构单极子天线，包括介质基板11、接地板单元3、微带线馈电单元8、同轴馈线单元、天线辐射单元1、寄生辐射单元2、硅片光开关、反射板7；所述反射板7与介质基板11间隔一定距离，介质基板通过支撑结构4固定在反射板的上方。所述介质基板的上表面印制天线辐射单元、寄生辐射单元、微带线馈电单元及光开关，所述介质基板的下表面印制接地板单元3。所述反射板为正方形盒子，所述反射板的材料为1mm铜板，所述支撑结构为绝缘材料，所述绝缘支撑结构为塑料柱，馈电端口位于反射板中间正下方，介质基板为高频板Rogers4350(tm)。

所述同轴馈线单元包括一同轴线5，同轴线外芯与接地板单元连接，同轴线内芯穿过介质基板的非金属化过孔与介质基板的正面微带线馈电单元连接，进行馈电，所述同轴馈线单元垂直介质基板设置。

所述天线辐射单元1包含一个C型单极子，所述C型单极子是完整圆环减去1/4圆环的3/4圆环结构，本实施例中的C型单极子开口位于右下方。所述C型单极子开有两个凹槽及两个L型槽，所述两个凹槽及两个L型槽均关于C型单极子的对称线对称，该对称线为经过C型单极子开口的对称线。所述两个凹槽为第一凹槽9A和第二凹槽9B，本实施例的凹槽开口设置在圆环的外边沿，凹槽的底部设置在内边沿与外边沿之间，所述C型单极子的中心与介质基板的中心点重合。

所述两个L型槽具体为第一及第二L型槽10A、10B，两个L型槽的起点位于C型单极子的内边沿，背离介质基板中心点设置。

所述寄生辐射单元蚀刻在介质基板正面，包括第一寄生辐射单元2A及第二寄生辐射单元2B，所述第一寄生辐射单元位于第一凹槽，第二寄生辐射单元位于第二凹槽，寄生辐射单元为矩形结构。

所述光开关具体为硅片光开关，包括第一硅片光开关6A和第二硅片光开关6B，所述微带线馈电单元位于介质基板上表面的中心点，且与C型单极子连接，所述微带线馈电单元为正方形贴片，位于本实施例中C型单极子的中心位置。微带线馈电结构特征阻抗为40-60Ω；所述第一硅片光开关在微带线馈电单元与天线辐射单元右侧连接处；所述第一硅片光开关在微带线馈电单元与天线辐射单元下方连接处；两个硅片光开关对称。如图4示，当光强足够，通过光纤激发硅光开关，硅开关处于导通状态，当光纤撤去，自然光不足以激发硅片硅开关处于断开状态。

本实施例的具体尺寸为：

介质基板为方形，长度及宽度L为60mm；寄生辐射单元都是宽为WS＝3mm，长度LS为11mm的微带线；C型单极子内径R1＝8.8mm，外径R2＝17.6mm；凹槽的参数为Sx＝8mm，Sy＝4.5mm；L型槽的参数为Lx＝3.9mm，Ly＝3mm，g2＝0.2mm；微带线馈电单元正方形贴片边长参数Wp为4.3mm，微带馈线宽W1＝1.3mm；接地板单元为不规则结构，其中圆形贴片半径Rd＝4.7mm，圆形贴片附加寄生单元Dx＝2mm，Dy＝1.3mm，矩形微带线线宽W3＝4mm，长L1＝27.6mm，矩形微带线中间附加寄生矩形单元参数为W2＝15.6mm，L2＝4.4mm，g1＝0.5mm。

通过控制硅光开关的状态，能实现天线极化方式可重构；

控制两个硅片光开关实现天线极化方式可重构，具体为：

第一硅片光开关断开，第二硅片光开关导通，则天线处于工作LHCP模式；

第一硅片光开关导通，第二硅片光开关断开，则天线处于工作RHCP模式；

第一硅片光开关导通，第二硅片光开关导通，则天线处于工作与LP模式。

当天线处于工作LHCP模式，天线的反射系数S11随频率Frequency变化而变化的曲线图如图5所示，其阻抗带宽在1.25-3.70GHz(98.9％)范围内；天线的轴比AR随频率Frequency变化而变化的曲线图如图6所示，其轴比带宽在2.25-3.9GHz(53.7％)范围内；天线的增益Gain随频率Frequency变化而变化的曲线图如图7所示；在2.7GHz时的xoz平面方向图如图8所示，在2.7GHz的yoz平面方向图如图9所示；在3.4GHz时的xoz平面方向图如图10所示，在3.4GHz的yoz平面方向图如图11所示。

当天线处于工作RHCP模式(见下表)，天线的反射系数S11随频率Frequency变化而变化的曲线图如图12所示，其阻抗带宽在1.25-3.70GHz(98.9％)范围内；天线的轴比AR随频率Frequency变化而变化的曲线图如图13所示，其轴比带宽在1.9-3.65GHz(63.1％)范围内；天线的增益Gain随频率Frequency变化而变化的曲线图如图14所示；在2.7GHz时的xoz平面方向图如图15所示，在2.7GHz的yoz平面方向图如图16所示；在3.4GHz时的xoz平面方向图如图17所示，在3.4GHz的yoz平面方向图如图18所示。

当天线处于工作LP模式，天线的反射系数S11随频率Frequency变化而变化的曲线图如图19所示，其阻抗带宽在1.9-4.50GHz(81.3％)范围内；天线的增益Gain随频率Frequency变化而变化的曲线图如图20所示；在2.7GHz时的方向图如图21所示；在3.4GHz时的xoz平面方向图如图22所示。

本实施例提出的一种光控极化可重构单极子天线具有体积小、平面化、结构简单的特点，仅用两个开关就可实现三种模式的极化可重构工作模式，三种工作模式的阻抗带宽均在80％以上，超宽的带宽也是本实用新型实例的特点，工作带宽内平均增在8dBi以上，同时方向图稳定；此外本实用新型采用硅片作为微波开关，硅光开关不需要外加偏置电路，结构简单，此外硅光开关具有良好的电磁兼容特性，对天线辐射影响小。大大提高系统的容量和安全性，具有广泛的应用前景。

三种工作模式都共同覆盖了2.3～3.6GHz频段，目前无线移动通信在此可操作频段范围内应用广泛，其中包括2.45G WiFi，第四代移动通信(Lte 4G)，2.45G Wimax，3.5GWimax以及第五代移动通信(5G)。

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所述实施例的限制，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)

1.一种光控极化可重构单极子天线，包括反射板及介质基板，所述介质基板通过支撑结构固定在反射板的上方，其特征在于，所述介质基板的上表面印制天线辐射单元、寄生辐射单元、微带线馈电单元及光开关，所述介质基板的下表面印制接地板单元；

所述天线辐射单元包括一个C型单极子，所述C型单极子开有凹槽及L型槽；

所述寄生辐射单元位于凹槽内，所述光开关位于微带线馈电单元与天线辐射单元的连接处；

还包括同轴馈线单元，所述同轴馈线单元通过介质基板向微带线馈电单元馈电。

2.根据权利要求1所述的一种光控极化可重构单极子天线，其特征在于，所述C型单极子为3/4圆环结构。

3.根据权利要求1所述的一种光控极化可重构单极子天线，其特征在于，所述凹槽为两个，具体为第一凹槽及第二凹槽，凹槽开口设置在C型单极子的外边沿，第一凹槽及第二凹槽关于C型单极子的对称线对称。

4.根据权利要求1所述的一种光控极化可重构单极子天线，其特征在于，所述光开关为硅片光开关，有两个，具体为第一硅片光开关和第二硅片光开关，所述第一硅片光开关在微带线馈电单元与C型单极子连接处的一侧，所述第二硅片光开关在微带线馈电单元与C型单极子连接处的一端，所述一侧为左侧或右侧，所述一端为上端或下端，所述微带线馈电单元位于介质基板的中心点。

5.根据权利要求1所述的一种光控极化可重构单极子天线，其特征在于，所述L型槽为两个，分别为第一L型槽及第二L型槽，L型槽由C型单极子的内边沿背向C型单极子的圆心方向设置，两个L型槽关于C型单极子的对称线对称。

6.根据权利要求1所述的一种光控极化可重构单极子天线，其特征在于，所述同轴馈线单元包括同轴线，所述同轴线内芯穿过介质基板与微带线馈电单元连接，所述同轴线外芯与接地板单元连接。

7.根据权利要求1所述的一种光控极化可重构单极子天线，其特征在于，所述反射板为正方形。

8.根据权利要求1所述的一种光控极化可重构单极子天线，其特征在于，所述天线辐射单元位于介质基板的中间位置。

9.根据权利要求1所述的一种光控极化可重构单极子天线，其特征在于，所述支撑结构为塑料柱。