CN210272663U

CN210272663U - 一种方向图可重构左/右旋圆极化天线

Info

Publication number: CN210272663U
Application number: CN201921393617.9U
Authority: CN
Inventors: 李融林; 伍炤润; 崔悦慧
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2029-08-26

Abstract

本实用新型公开了一种方向图可重构左/右旋圆极化天线，包括介质板、圆形贴片、水平环、三个L型探针、四根金属短路钉、宽带馈电网络、阻抗匹配电路和四个垂直巴伦；所述水平环主要由四个印刷偶极子组成的；所述介质板包括上层介质板和下层介质板；所述水平环和圆形贴片均刻蚀于上层介质板的背面，所述宽带馈电网络和匹配电路位于下层介质板的背面，所述三个L型探针、四根金属短路钉和四个垂直巴伦位于上层介质板和下层介质板之间；所述宽带馈电网络和阻抗匹配电路相连；阻抗匹配电路上加载有射频开关，所述四根金属短路钉位于圆形贴片的边缘，每个垂直巴伦印制在一块介质基板上。该天线为低剖面结构，易于制作，可实现左/右旋圆极化的切换。

Description

一种方向图可重构左/右旋圆极化天线

技术领域

本实用新型涉及移动通信天线领域，特别涉及一种方向图可重构左/右旋圆极化天线。

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。

方向图可重构天线具有重构其辐射方向图的能力，它是要求在保持天线工作频段与极化方式不变的前提下，通过改变方向图形状或者主波束辐射方向，使信号对准目标用户，从而避开干扰源以抑制信号干扰，节约系统能量，提高通信系统的安全性和保密性。

圆极化波具有能够被任意线极化波接收、旋向正交性和入射到对称目标旋向反转等特性，因此圆极化天线能够有效抑制雨雾干扰和抗多径反射，在通信、遥测遥感、电子对抗及广播电视等领域有广泛的应用。

目前的方向图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方向图可重构。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

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方向图可重构左/右旋圆极化天线。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种方向图可重构左/右旋圆极化天线，包括介质板、圆形贴片、水平环、三个L型探针、四根金属短路钉、宽带馈电网络、阻抗匹配电路和四个垂直巴伦；所述水平环主要由四个印刷偶极子组成的；所述介质板包括上层介质板和下层介质板；所述水平环和圆形贴片均刻蚀于上层介质板的背面，所述宽带馈电网络和匹配电路位于下层介质板的背面，所述三个L型探针、四根金属短路钉和四个垂直巴伦位于上层介质板和下层介质板之间；两个L型探针分布在圆形贴片的边缘，所述两个L型探针一端分别连接阻抗匹配电路的输出端，另一端相互垂直并分别指向圆形贴片的中心；另外一个L型探针位于圆形贴片的圆心，一端连接匹配电路的输出端，另一端向圆形贴片的边缘延伸。

所述四个印刷偶极子呈十字对称分布在圆形贴片周围，每个垂直巴伦印制在一块介质基板上，每个垂直巴伦位于一个印刷偶极子下方，印刷偶极子通过垂直巴伦与宽带馈电网络连接；所述宽带馈电网络和阻抗匹配电路相连；四个金属短路钉位于圆形贴片下方，所述四根金属短路钉对称分布在圆形贴片的边缘，用于连接圆形贴片和地面；

所述阻抗匹配电路上加载有射频开关。

宽带馈电网络为水平环馈电；阻抗匹配电路使四种状态覆盖同一频段。

进一步的，每个印刷偶极子为弧形，长度均为0.5λ₀，其中，λ₀是中心频率1.9GHz所对应的自由空间波长；每个印刷偶极子包括主偶极子和寄生偶极子，寄生偶极子位于主偶极子外侧。

金属短路钉位于圆形贴片的边缘。

进一步的，所述上层介质板和下层介质板的厚度不同。

进一步的，每个垂直巴伦主要由印制在介质基板背面的金属和位于介质基板正面的微带线构成，所述微带线包括第一微带线和第二微带线；第一微带线一端与第二微带线连接，第一微带线另一端开路；金属与一个主偶极子连接。

进一步的，所述宽带馈电网络包括第一威尔金森功分器、第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器，所述第一威尔金森功分器、第二威尔金森功分器和第三威尔金森功分器依次连接，第一威尔金森功分器和第三威尔金森功分器的输出端分别与一个垂直巴伦中的第二微带线相连接。

进一步的，所述阻抗匹配电路安装有第一射频开关、第二射频开关、第三射频开关、第四射频开关、第五射频开关、第六射频开关、第七射频开关、第八射频开关、第九射频开关、第十射频开关和第十一射频开关1；

第一射频开关和第二射频开关位于第三微带线的两端，第一射频开关和第二射频开关分别与第九微带线和第四微带线连接；第三射频开关和第四射频开关位于第十微带线的两端，第三射频开关和第四射频开关分别与第九微带线和第十一微带线相连接；第五射频开关和第六射频开关位于第十二微带线的两端，第五射频开关和第六射频开关分别与第九微带线和第十一微带线相连接；第七射频开关和第八射频开关位于第六微带线的两端，分别与第七微带线和第四微带线连接；第十射频开关和第十一射频开关位于第五微带线的两端，分别与第四微带线和第七微带线相连接；第四微带线和第八微带线通过第九射频开关连接；宽带馈电网络中的第二威尔金森功分器与第九微带线相连接；

第八微带线与第三L型探针连接；第七微带线与第二L型探针连接；第一L型探针与第十一微带线连接。

进一步的，对于定向辐射和全向辐射，左/右旋圆极化的切换均由所述阻抗匹配电路的λg/2路程差产生，其中，λg为中心频率1.9GHz对应介质中的波长。

进一步的，当第二射频开关、第七射频开关、第八射频开关和第九射频开关闭合，其他开关断开时，实现定向左旋圆极化；当开关第二射频开关、第九射频开关、第十射频开关和第十一射频开关1闭合，其他开关断开时，实现定向右旋圆极化；当开关第一射频开关第五射频开关和第六射频开关闭合，其他开关断开时，实现全向左旋圆极化；当开关第一射频开关、第三射频开关和第四射频开关闭合，其他开关断开时，实现全向右旋圆极化。

进一步的，所述圆形贴片的半径为0.2λ₀；

加载于阻抗匹配电路上的射频开关是实现方向图与极化可重构的关键。通过合理控制开关，对应实现定向/全向左/右旋圆极化极化波。

与现有的技术相比，本实用新型的效果为：

该天线为低剖面结构，易于制作。在不同的辐射方向图下均可实现左/右旋圆极化的切换，四种工作模式均实现了1.82-2.01GHz的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。

附图说明

图1是本实施例一种方向图可重构左/右旋圆极化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和圆形贴片；

图3是水平环形天线的宽带馈电网络；

图4是使水平环与宽带馈电网络连接的巴伦结构；

图5是使四种状态工作在同一频段的匹配电路；

图6是四种工作模式的S₁₁带宽图；

图7是四种工作模式轴比的带宽图；

图8是定向左旋圆极化工作模式在1.9GHz时xoz面的方向图；

图8b是定向左旋圆极化工作模式在1.9GHzyoz面的方向图；

图9是定向右旋圆极化工作模式在1.9GHz时xoz面的方向图；

图9b是定向右旋圆极化工作模式在1.9GHz时yoz面的方向图；

图10是全向左旋圆极化工作模式在1.9GHz时xoz面的方向图；

图10b是全向左旋圆极化工作模式在1.9GHz时yoz面的方向图；

图11是全向右旋圆极化工作模式在1.9GHz时xoz面的方向图；

图11b是全向右旋圆极化工作模式在1.9GHz时yoz面的方向图；

其中：1-圆形贴片、2-水平环、3-L型探针、4-宽带馈电网络、5-阻抗匹配电路、6-垂直巴伦、10-垂直巴伦背面金属、11-第一微带线、12-第二微带线、21-主偶极子、22-寄生偶极子、31-第一L型探针、32-第二L型探针、33-第三L型探针、41-第一威尔金森功分器、42-第二威尔金森功分器、43-第三威尔金森功分器、51-第三微带线、52-第四微带线、53-第五微带线、54-第六微带线、55-第七微带线、56-第八微带线、57-第九微带线、58-第十微带线、59-第十一微带线、50-第十二微带线、71-第一射频开关、72-第二射频开关、73-第三射频开关、74-第四射频开关、75-第五射频开关、76-第六射频开关、77-第七射频开关、78-第八射频开关、79-第九射频开关、70-第十射频开关，701-第十一射频开关。

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。

如图1和图2所示的一种方向图可重构左/右旋圆极化天线，包括介质板、圆形贴片1、水平环2、三个L型探针3、四根金属短路钉、宽带馈电网络4、阻抗匹配电路5和四个垂直巴伦6；所述水平环2主要由四个印刷偶极子组成的；所述介质板包括上层介质板和下层介质板；所述水平环2和圆形贴片1均刻蚀于上层介质板的背面，所述宽带馈电网络4和匹配电路位于下层介质板的背面，所述三个L型探针3、四根金属短路钉和四个垂直巴伦6位于上层介质板和下层介质板之间；两个L型探针的垂直部分位于圆形贴片的边缘，连接阻抗匹配电路的输出端，水平部分向圆形贴片的中心延伸。两个L型探针的水平部分呈90°。另外一个L型探针的垂直部分位于圆形贴片的圆心位置上，连接匹配电路的输出端，水平部分向圆形贴片的边缘延伸。

所述四个印刷偶极子呈十字对称分布在圆形贴片1周围，每个垂直巴伦6位于一个印刷偶极子下方，印刷偶极子通过垂直巴伦6与宽带馈电网络4连接；所述宽带馈电网络4和阻抗匹配电路5相连；四个金属短路钉位于圆形贴片下方，用于连接圆形贴片和地面。

所述阻抗匹配电路5上加载有射频开关，所述四根金属短路钉位于圆形贴片1的边缘，呈对称分布，每个垂直巴伦6印制在一块介质基板上。

每个印刷偶极子为弧形，长度均为0.5λ0，其中，λ0是中心频率1.9GHz所对应的自由空间波长；每个印刷偶极子包括主偶极子21和寄生偶极子22，主偶极子21的宽度为22mm，主偶极子21的内外半径分别为88mm和110mm；寄生偶极子22的宽度为3mm，内外半径为113和116mm。主偶极子21和寄生偶极子22之间的槽线间距为0.8mm，主偶极子21与垂直巴伦6相连接。

所述圆形贴片1的半径为0.27λ₀；

金属短路钉位于圆形贴片1的边缘，半径为0.5mm。

所述上层介质板是厚度为0.508mm、介电常数为2.94、损耗正切为0.0012的罗杰斯6002板材背面。

所述下层介质板是厚度为1.016mm、介电常数为2.94、损耗正切为0.0012的罗杰斯6002板材背面。

如图4所示，每个垂直巴伦6主要由印制在介质基板背面的金属和位于介质基板正面的微带线构成，所述微带线包括第一微带线11和第二微带线12；第一微带线11一端与第二微带线12连接，第一微带线11另一端开路。所述介质基板是厚度为1.016mm的罗杰斯6002板材。介质基板背面金属10的顶端与一个主偶极子21连接，底端与地连接。

如图3所示，所述宽带馈电网络4包括第一威尔金森功分器41、第二威尔金森功分器42和第三威尔金森功分器43，所述第一威尔金森功分器41、第二威尔金森功分器42和第三威尔金森功分器43依次连接，第一威尔金森功分器41和第三威尔金森功分器43的输出端分别与每个垂直巴伦6中的第二微带线12相连接。

如图5所示，所述阻抗匹配电路5包括两部分，第一部分主要由第三微带线51、第四微带线52、第五微带线53、第六微带线54、第七微带线55和第八微带线56组成；第二部分主要由第九微带线57、第十微带线58、第十一微带线59、第十二微带线50组成。所述第七微带线55、第八微带线56和第十一微带线59分别与三个L型探针3较短的一端连接。天线的馈电点位于第三微带线51。相邻微带线之间安装有射频开关。其中，第三微带线51、第四微带线52、第五微带线53、第六微带线54、第七微带线55、第八微带线56和第九微带线57的宽度为2.5mm。第十微带线58和第十二微带线50的宽度为0.68mm。第十一微带线59的宽度为1.4mm。

所述阻抗匹配电路5安装有第一射频开关71、第二射频开关72、第三射频开关73、第四射频开关74、第五射频开关75、第六射频开关76、第七射频开关77、第八射频开关78、第九射频开关79、第十射频开关70和第十一射频开关701；第一射频开关71和第二射频开关72位于第三微带线51的两端，分别与第九微带线57和第四微带线52相连接。第三射频开关73和第四射频开关74位于第十微带线58的两端，分别与第九微带线57和第十一微带线59相连接。第五射频开关75和第六射频开关76位于第十二微带线50的两端，分别与第九微带线57和第十一微带线59相连接。第七射频开关77和第八射频开关78位于第六微带线54的两端，分别与第七微带线55和第四微带线52相连接。第十射频开关70和第十一射频开关701位于第五微带线53的两端，分别与第四微带线52和第七微带线55相连接。第四微带线52通过第九射频开关79与第八微带线56连接。宽带馈电网络4中的第二威尔金森功分器42与第九微带线57相连接。第八微带线56与第三L型探针31连接；第七微带线55与第二L型探针32连接；第一L型探针33与第十一微带线59连接。

当第二射频开关72、第七射频开关77、第八射频开关78和第九射频开关79闭合，其他开关断开时，馈电路径由第三微带线51、第四微带线52、第六微带线54、第七微带线55和第八微带线56组成，仅给圆形贴片1馈电，产生定向左旋圆极化波。当开关第二射频开关72、第九射频开关79、第十射频开关70和第十一射频开关701闭合，其他开关断开时，馈电路径由第三微带线51、第四微带线52、第五微带线53、第七微带线55和第八微带线56组成，产生定向右旋圆极化波，其中第五微带线53与第六微带线54的长度差为λg/2。其中，λg为中心频率1.9GHz对应介质中的波长。当开关第一射频开关71第五射频开关75和第六射频开关76闭合，其他开关断开时，由第九微带线57、第十一微带线59和第十二微带线50给圆形贴片1和水平环2同时馈电，产生全向左旋圆极化波。当开关第一射频开关71、第三射频开关73和第四射频开关74闭合，其他开关断开时，由第九微带线57、第十微带线58和第十一微带线59给圆形贴片1和水平环2同时馈电时，产生全向右旋圆极化波，其中第十微带线58和第十二微带线50的长度差为λg/2。

本实用新型采11个射频开关实现了四种辐射模式的可重构，图6是四种工作模式的S₁₁带宽图，天线带宽为1.61-2.06GHz，；图7是四种工作模式轴比的带宽图，天线带宽为1.82-2.01GHz，；图8和图8b为定向左旋圆极化（LHCP, Broadside）方向图，图中实线为模拟主极化(co-pol)，虚线为交叉极化(x-pol)，图9和图9b为定向右旋圆极化（RHCP,Broadside）方向图，图10和图10b为全向左旋圆极化（LHCP, Conical）方向图，图11和图11b是全向右旋圆极化（RHCP, Conical）方向图。天线带宽为1.82-2.01GHz，辐射方向图稳定，主极化分量比交叉极化分量大15dB以上。

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

1.一种方向图可重构左/右旋圆极化天线，其特征在于，包括介质板、圆形贴片（1）、水平环（2）、三个L型探针、四根金属短路钉、宽带馈电网络（4）、阻抗匹配电路（5）和四个垂直巴伦（6）；所述水平环（2）主要由四个印刷偶极子组成的；所述介质板包括上层介质板和下层介质板；所述水平环（2）和圆形贴片（1）均刻蚀于上层介质板的背面，所述宽带馈电网络（4）和匹配电路位于下层介质板的背面，所述三个L型探针、四根金属短路钉和四个垂直巴伦（6）位于上层介质板和下层介质板之间；两个L型探针分布在圆形贴片（1）的边缘，所述两个L型探针一端分别连接阻抗匹配电路（5）的输出端，另一端相互垂直并分别指向圆形贴片（1）的中心；另外一个L型探针位于圆形贴片（1）的圆心，一端连接匹配电路的输出端，另一端向圆形贴片（1）的边缘延伸；

所述四个印刷偶极子呈十字对称分布在圆形贴片（1）周围；每个垂直巴伦（6）印制在一块介质基板上，每个垂直巴伦（6）位于一个印刷偶极子下方，印刷偶极子通过垂直巴伦（6）与宽带馈电网络（4）连接；所述宽带馈电网络（4）和阻抗匹配电路（5）相连；所述四个金属短路钉位于圆形贴片（1）下方，四根金属短路钉对称分布在圆形贴片（1）的边缘，用于连接圆形贴片（1）和地面；

所述阻抗匹配电路（5）上加载有射频开关。

2.根据权利要求1所述的方向图可重构左/右旋圆极化天线，其特征在于，每个印刷偶极子为弧形，长度均为0.5λ₀，其中，λ₀是中心频率1.9GHz所对应的自由空间波长；每个印刷偶极子包括主偶极子（21）和寄生偶极子（22），寄生偶极子（22）位于主偶极子（21）外侧。

3.根据权利要求1所述的方向图可重构左/右旋圆极化天线，其特征在于，

所述上层介质板和下层介质板的厚度不同。

4.根据权利要求1所述的方向图可重构左/右旋圆极化天线，其特征在于，每个垂直巴伦（6）主要由印制在介质基板背面的金属（10）和位于介质基板正面的微带线构成，所述微带线包括第一微带线（11）和第二微带线（12）；第一微带线（11）一端与第二微带线（12）连接，第一微带线（11）另一端开路；金属（10）与一个主偶极子（21）连接。

5.根据权利要求1所述的方向图可重构左/右旋圆极化天线，其特征在于，所述宽带馈电网络（4）包括第一威尔金森功分器（41）、第二威尔金森功分器（42）和第三威尔金森功分器（43），所述第一威尔金森功分器（41）、第二威尔金森功分器（42）和第三威尔金森功分器（43）依次连接，第一威尔金森功分器（41）和第三威尔金森功分器（43）的输出端分别与一个垂直巴伦（6）中的第二微带线（12）相连接。

6.根据权利要求1所述的方向图可重构左/右旋圆极化天线，其特征在于，所述阻抗匹配电路（5）包括两部分，第一部分主要由第三微带线（51）、第四微带线（52）、第五微带线（53）、第六微带线（54）、第七微带线（55）和第八微带线（56）组成；第二部分主要由第九微带线（57）、第十微带线（58）、第十一微带线（59）、第十二微带线（50）组成；所述第七微带线（55）、第八微带线（56）和第十一微带线（59）分别与三个L型探针短的一端连接；天线的馈电点位于第三微带线（51）。

7.根据权利要求1所述的方向图可重构左/右旋圆极化天线，其特征在于，所述阻抗匹配电路（5）安装有第一射频开关（71）、第二射频开关（72）、第三射频开关（73）、第四射频开关（74）、第五射频开关（75）、第六射频开关（76）、第七射频开关（77）、第八射频开关（78）、第九射频开关（79）、第十射频开关（70）和第十一射频开关（701）；

第一射频开关（71）和第二射频开关（72）位于第三微带线（51）的两端，第一射频开关（71）和第二射频开关（72）分别与第九微带线（57）和第四微带线（52）连接；第三射频开关（73）和第四射频开关（74）位于第十微带线（58）的两端，第三射频开关（73）和第四射频开关（74）分别与第九微带线（57）和第十一微带线（59）相连接；第五射频开关（75）和第六射频开关（76）位于第十二微带线（50）的两端，第五射频开关（75）和第六射频开关（76）分别与第九微带线（57）和第十一微带线（59）相连接；第七射频开关（77）和第八射频开关（78）位于第六微带线（54）的两端，分别与第七微带线（55）和第四微带线（52）连接；第十射频开关（70）和第十一射频开关（701）位于第五微带线（53）的两端，分别与第四微带线（52）和第七微带线（55）相连接；第四微带线（52）和第八微带线（56）通过第九射频开关（79）连接；宽带馈电网络（4）中的第二威尔金森功分器（42）与第九微带线（57）相连接；

第八微带线（56）与第三L型探针（31）连接；第七微带线（55）与第二L型探针（32）连接；第一L型探针（33）与第十一微带线（59）连接。

8.根据权利要求1所述的方向图可重构左/右旋圆极化天线，其特征在于，对于定向辐射和全向辐射，左/右旋圆极化的切换均由所述阻抗匹配电路（5）的λg/2路程差产生，其中，λg为中心频率1.9GHz对应介质中的波长。

9.根据权利要求1所述的方向图可重构左/右旋圆极化天线，其特征在于，

所述圆形贴片（1）的半径为0.27λ₀。