CN209804893U - 一种低剖面高增益的可重构单极子天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种低剖面高增益的可重构单极子天线，从上到下依次为天线结构‑人工磁导体结构‑金属反射板，介质基板均为矩形，且每层结构的中心都处于同一垂直线上；其中天线结构的金属底板上设有二极管控制开关，通过改变二极管的打开/关闭状态，可实现两种线极化状态以及左旋和右旋圆极化状态；本实用新型一是天线可通过控制一对二极管的状态实现频率和极化可重构特性；二是通过加载人工磁导体结构，可调节天线在工作频带范围内的阻抗、轴比、增益等性能，与传统的添加金属反射板相比，天线的剖面降低了二分之一，且增益和阻抗带宽进一步得到了改善。
Description
技术领域
本发明属于基于超材料的频率和极化可重构天线技术领域，特别涉及低剖面高增益圆极化天线，具体应用于现代无线通信系统中。
背景技术
现代无线通信系统的不断发展需要满足尺寸小、质量轻、结构简单等特性。天线是通讯系统关键部件之一，而传统的天线只能实现单一的频率或极化特性，多个频段或极化的实现需要加载多个天线，这势必会增加系统的复杂性。为解决该问题，人们开始研究可重构天线，该类天线可以通过加载二极管或MEMS开关等射频微波器件来改变天线辐射体的结构或者其工作状态，从而可以控制天线参量。目前，可重构天线主要分为频率可重构、极化可重构、方向图可重构及复合可重构。
频率可重构技术天线可以在不同频段内自由切换，从而可以展宽天线的工作带宽。极化可重构天线实现了线极化和线极化、线极化和圆极化以及圆极化和圆极化之间的转换，尤其是圆极化天线可以抑制多径效应，且对极化不敏感，抗干扰能力强，因此其可以提高通信系统的容量。过去几十年，人们对低剖面、高增益的可重构天线研究较少，因此提出了一些方法来降低高增益可重构天线的剖面。
文献1：刘松涛，秦顺友，韩国栋，基于超材料的低剖面宽带双极化天线设计,计算机测量与控制,26，2018:292-296；该天线由四个开在地板上的缝隙组成±450双极化结构，通过馈电网络进行馈电。该结构比较复杂且不易安装和调节，增加了系统的体积，抗干扰能力差。
文献2：Son Xuat Ta and Ikmo Park：“Dual-Band Low-Profile CrossedAsymmetric Dipole Antenna on Dual-Band AMC Surface”,IEEE ANTENNAS ANDWIRELESS PROPAGATION LETTERS,March 2014Vol.13,Pages:(587-590)；通过加载人工磁导体结构(AMC)作为天线的反射器，与金属反射板相比，该结构提高了天线的增益，降低了天线剖面，但是天线阻抗较窄，从而限制了这种技术的应用。
综上所述，现有文献未能提出有效的实现剖面较低情况下的高增益可重构天线，本发明提出一种结构相对简单，并且增益较高的频率和极化可重构天线。
发明内容
要解决的技术问题
为了克服现有技术中存在的不足，达到低剖面和高增益的目的，因此提出了一种加载PIN二极管的单极子天线，通过改变二极管的打开/关闭状态，可实现两种线极化状态以及左旋和右旋圆极化状态。
技术方案
一种低剖面高增益的可重构单极子天线，其特征在于从上至下包括三层：天线结构、人工磁导体结构和金属反射板，每层结构的中心都处于同一垂直线上；第一层天线结构包括第一层介质基板，在第一层介质基板的上表面印刷矩形辐射贴片和微带连接线，在第一层介质基板的下表面印刷矩形金属地板，所述的矩形金属地板包括3个小矩形金属地板，中间的小矩形金属地板以中心线为对称，两边的小矩形金属地板以中间的小矩形金属地板为对称，在两个小矩形金属间隙处均加载一个控制开关；第二层人工磁导体结构包括第二层介质基板，在第二层介质基板的上表面周期排列的人工磁导体单元，第二层介质基板的下表面与第一层介质基板的下表面的距离为0.07λg，λg 为天线在中心频点处的波长；第三层为金属平板，其与第二层介质基板的下表面之间的距离为0.13λg，且金属平板和人工磁导体结构之间用空气填充。
所述的控制开关为PIN二极管。
三层之间使用聚四氟乙烯柱支撑。
有益效果
本发明提供了一种结构简单、成本较低，状态可控的高增益频率和极化可重构天线，其结构克服了传统的单边辐射的天线在增益和剖面方面的不足。当两个二极管均在打开情况下，天线辐射线性极化波(状态1)，且工作范围较宽，阻抗带宽约为2.27 GHz-2.81GHz(21.3％)。当两个二极管均在关闭状态下，天线同样辐射线性极化波(状态2)，阻抗带宽约为2.15GHz-2.67GHz(21.6％)；当y轴正向二极管打开时，天线辐射右旋圆极化波(状态3)，阻抗带宽约为1.81GHz-2.71GHz(39.8％)，轴比带宽为2.04GHz-2.21GHz。当y轴负向二极管打开时，天线辐射左旋圆极化波(状态4)，阻抗带宽约为1.81GHz-2.71GHz(39.8％)，轴比带宽为2.04GHz-2.21GHz。为提高天线增益，采用添加金属反射板的方法，其距离天线的高度为0.39λg。通过加载人工磁导体结构可进一步提高天线增益同时降低其剖面，结果表明，天线在线极化状态下主辐射方向增益分别为9.4dB和9.05dB，在圆极化状态下主辐射方向增益均为8.9dBi，达到了高增益和低剖面的目的。
附图说明
图1：本发明整体结构立体示意图。
图2：本发明单极子天线结构俯视图。
图3：本发明单极子天线结构侧视图。
图4：本发明人工磁导体结构示意图。
图5：本发明金属反射板结构示意图。
图6：本发明线极化天线俯视图：a为状态1和b为状态2。
图7：本发明线极化天线反射系数随频率变化曲线图(状态1和状态2)。
图8：本发明线极化天线在2500MHz和2400MHz频点处增益曲线图：a为状态1 和b为状态2。
图9：本发明圆极化天线俯视图(状态3)。
图10：本发明圆极化天线反射系数随频率变化曲线图(状态3)。
图11：本发明圆极化天线轴比随频率变化曲线图(状态3)。
图12：本发明圆极化天线在2100MHz频点处增益曲线图(状态3)。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明涉及一种低剖面、高增益频率和极化可重构单极子天线，该天线具有两个方面特性：一是天线可通过控制一对二极管的状态实现频率和极化可重构特性；二是通过加载人工磁导体结构，可调节天线在工作频带范围内的阻抗、轴比、增益等性能，与传统的添加金属反射板相比，天线的剖面降低了二分之一，且增益和阻抗带宽进一步得到了改善。
本发明主要包括两部分：单极子天线结构和反射单元。整个结构主要分为三层，从上到下依次为天线结构-人工磁导体结构-金属反射板，介质基板均为矩形，且每层结构的中心都处于同一垂直线上。层与层之间使用不影响性能的塑料柱支撑，塑料柱可采用聚四氟乙烯材料。
第一层天线结构包括矩形辐射贴片1和微带连接线2印刷在第一层介质基板3的上表面，矩形金属地板4印刷在第一层介质基板3的下表面，在金属地板的中心对称位置上分别加载两个控制开关5；
第二层人工磁导体结构包括第二层介质基板7和周期排列在第二层介质基板7的人工磁导体单元6，第二层介质基板7的下表面与第一层介质基板3的下表面的距离约为0.07λg，λg为天线在中心频点处的波长；
第三层为金属平板8，其与人工磁导体结构6之间的距离约为0.13λg，且金属平板和人工磁导体之间用空气填充。
如图1所示，本发明从上到下主要包含三层：依次为天线结构-周期结构反射板-金属地板，介质基板均为矩形，且每层结构的中心都处于同一垂直线上。
第一层为天线结构，如图2所示，介质基板采用介电常数为εr＝4.4，损耗正切tanδ＝0.02，高度h＝1mm的材料，尺寸为70×40mm2。由方形金属片作为辐射单元 (L2×K2＝28×8mm2)，与金属微带馈线(L1×K1＝9×1mm2)连接均印刷在介质基板的上表面，方形金属地板(L×Ld＝70×10mm2)印刷在介质基板的下表面，且在中心对称位置上分别加载一个PIN二极管，其尺寸为Ld×Kd＝10×2mm2。天线通过同轴导体由介质的侧面进行馈电。
第二层人工磁导体如图4所示，方形金属单元尺寸为16×16mm2，周期为18mm。整个结构为6×6的阵列，印刷在介电常数为εr＝2.2，损耗正切tanδ＝0.0009，高度h＝2 mm介质材料的上表面，总体尺寸为120×120mm2。该结构距离天线h0＝5mm，约为 0.07倍的导波波长。该结构可用来降低天线的剖面。
第三层为金属反射板，尺寸为120×120mm2。与传统金属反射板不同，该金属反射板是作为周期结构的地板，与第二层人工磁导体结构之间用空气填充，距离人工磁导体结构天线约为0.13倍的导波波长。该结构可用来改善周期结构的工作带宽，进而可以改善天线的阻抗带宽和轴比带宽。
当两个二极管均为OFF状态时，天线结构如图6(a)所示，天线辐射线性极化波，得到的反射系数曲线如图7所示，S11＜-10dB的频率范围为2.27GHz-2.81GHz，该状态下的增益如图8(a)所示，可以看出天线的最大增益为9.4dB。
当两个二极管均为ON状态时，天线结构如图6(b)所示。由图7可以看出，该天线反射系数S11＜-10dB的频率范围为2.15GHz-2.67GHz，该状态下的增益如图8 (b)所示，可以看出天线的最大增益为9.05dB。
当Y轴正向二极管为ON状态时，Y轴负向二极管为OFF状态时天线结构如图9 所示。由图10可以看出，该天线反射系数S11＜-10dB的频率范围为1.81GHz-2.71GHz，该状态下的轴比曲线如图11所示，该天线在2.04GHz-2.21GHz频段内以右旋圆极化为主，增益如图12所示，可以看出天线的最大增益为8.9dB。
当Y轴负向二极管为ON状态时，Y轴正向二极管为OFF状态时，天线结构如图 9所示。该状态的轴比和增益情况与状态3几乎一致，因此不再描述。
本发明具体性能如图7、图8、图10、图11、图12所示，对比结果正与有益效果所描述的一致。
Claims (3)
1.一种低剖面高增益的可重构单极子天线，其特征在于从上至下包括三层：天线结构、人工磁导体结构和金属反射板，每层结构的中心都处于同一垂直线上；第一层天线结构包括第一层介质基板(3)，在第一层介质基板(3)的上表面印刷矩形辐射贴片(1)和微带连接线(2)，在第一层介质基板(3)的下表面印刷矩形金属地板(4)，所述的矩形金属地板(4)包括3个小矩形金属地板，中间的小矩形金属地板以中心线为对称，两边的小矩形金属地板以中间的小矩形金属地板为对称，在两个小矩形金属间隙处均加载一个控制开关(5)；第二层人工磁导体结构包括第二层介质基板(7)，在第二层介质基板(7)的上表面周期排列的人工磁导体单元(6)，第二层介质基板(7)的下表面与第一层介质基板(3)的下表面的距离为0.07λg，λg为天线在中心频点处的波长；第三层为金属平板(8)，其与第二层介质基板的下表面之间的距离为0.13λg，且金属平板(8)和人工磁导体结构之间用空气填充。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益的可重构单极子天线，其特征在于所述的控制开关(5)为PIN二极管。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面高增益的可重构单极子天线，其特征在于三层之间使用聚四氟乙烯柱支撑。
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|---|---|---|---|---|
| CN111180880A (zh) * | 2020-02-10 | 2020-05-19 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | 一种超宽带圆极化天线阵列 |
| CN112736483A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-04-30 | 北京大学 | 一种极化可重构的二维波束扫描全息天线及其实现方法 |
| WO2021120545A1 (zh) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 | 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司 | 一种应用于5g毫米波无线通信的低剖面宽带贴片天线结构 |
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2019
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