CN210806003U

CN210806003U - 一种双圆极化波束可重构微带天线

Info

Publication number: CN210806003U
Application number: CN201921920143.9U
Authority: CN
Inventors: 陈付昌; 向凯燃
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2029-11-08

Abstract

本实用新型公开了一种双圆极化波束可重构微带天线，包括第一、二介质板，第一、二、三、四电压控制模块；两介质板之间存在空气层；第二介质板上表面有覆铜层；覆铜层上设有圆形贴片，第一、二、三、四、五、六、七、八扇形寄生贴片，第一、二、三、四变容二极管，第一、二、三、四、五、六、七、八贴片电感，第一、二、三、四、五、六、七、八电压控制接口；第一介质板上表面设有带十字耦合孔径的接地板，下表面有覆铜层，该覆铜层上设有第一、二耦合馈线及分支线定向耦合器，在第一介质板上表面和下表面的覆铜层上分别制作有第一、二输入端口。本实用新型可以实现±20°的波束扫描角度范围，且在±45°两个面上的波束扫描，反射系数S₁₁在‑10dB以下。

Description

一种双圆极化波束可重构微带天线

技术领域

本实用新型涉及天线的技术领域，尤其是指一种双圆极化波束可重构微带天线。

背景技术

随着无线通信的高速发展，对于系统的通信容量和传输速率有了更高的要求。贴片天线由于其重量轻、体积小、易共形、易加工、成本低等优点被广泛用于设计无线通讯系统的前端发射和接收天线。随着5G技术的应用越来越广泛以及无线通信用户的急速增长，都迫切需要在有限的频谱资源划分中内充分利用好频谱资源，提高频谱资源的利用率，从而提高无线通讯系统的性能。波束赋形是应对这一需求的有效方案之一，波束赋形技术越来越多地应用于个人通信系统(PCS)、卫星通信系统、无线本地回路、无线局域网(LAN)和无线ATM系统。利用微带天线设计圆极化波束可重构天线具有很大研究意义。

对现有技术进行调查了解，具体如下：

肖绍球教授等人利用Butler矩阵设计了一种宽带圆极化多波束天线阵列，基于宽带的定向耦合器和宽带移相器设计了一个Butler矩阵，并利用宽带的圆极化天线组成一个四单元的天线阵列，利用相移网络实现圆极化的波束赋形。

A.Khidre教授等人提出了一种电调多波束圆极化天线的设计方法。在寄生贴片上加载变容二极管，通过改变变容二极管的电容值，改变寄生单元的特性来实现波束的控制。

总的来说，现有的工作中，有不少关于波束可重构微带天线的研究，但是很多设计方法利用的是相位馈电网络等方法实现的，容易造成能量的损失，且设计比较复杂。因此，设计一款简单的双圆极化波束可重构天线具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种双圆极化波束可重构微带天线，该天线的工作频率为2GHz，通过调节变容二极管的电容值，可以实现±20°的波束扫描角度范围，并且在±45°两个面上的波束扫描，在整个调节过程中，反射系数S11基本保持在-10dB以下。整个天线结构简单紧凑，而且加工方便，成本低。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种双圆极化波束可重构微带天线，包括第一介质板、第二介质板、第一电压控制模块、第二电压控制模块、第三电压控制模块和第四电压控制模块；所述第二介质板位于第一介质板上方，两介质板之间存在空气层，用于提高天线的增益；所述第二介质板的上表面形成有覆铜层，所述覆铜层上分别设有圆形贴片、第一扇形寄生贴片、第二扇形寄生贴片、第三扇形寄生贴片、第四扇形寄生贴片、第五扇形寄生贴片、第六扇形寄生贴片、第七扇形寄生贴片、第八扇形寄生贴片、第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管、第四变容二极管、第一贴片电感、第二贴片电感、第三贴片电感、第四贴片电感、第五贴片电感、第六贴片电感、第七贴片电感、第八贴片电感、第一电压控制接口、第二电压控制接口、第三电压控制接口、第四电压控制接口、第五电压控制接口、第六电压控制接口、第七电压控制接口、第八电压控制接口；所述圆形贴片位于覆铜层的中间位置，作为整个天线的主要辐射源；所述第一扇形寄生贴片和第二扇形寄生贴片通过第一变容二极管连接形成一个寄生单元，且关于第一变容二极管对称；所述第三扇形寄生贴片和第四扇形寄生贴片通过第二变容二极管连接形成一个寄生单元，且关于第二变容二极管对称；所述第五扇形寄生贴片和第六扇形寄生贴片通过第三变容二极管连接形成一个寄生单元，且关于第三变容二极管对称；所述第七扇形寄生贴片和第八扇形寄生贴片通过第四变容二极管连接形成一个寄生单元，且关于第四变容二极管对称；上述四个寄生单元均布在圆形贴片的四周，并处于同一圆周上，与圆形贴片同一圆心，且两两寄生单元关于圆形贴片的对称轴呈镜像对称，变容二极管的中心点在经过圆形贴片圆心的±45°交叉线位置上，通过调节变容二极管的电容值，能够使得四个寄生单元产生的电流分布不一样，从而实现波束方向的控制；所述第一扇形寄生贴片通过第一贴片电感与第一电压控制接口连接，所述第二扇形寄生贴片通过第二贴片电感与第二电压控制接口连接，所述第一电压控制接口和第二电压控制接口分别与第一电压控制模块连接，所述第三扇形寄生贴片通过第三贴片电感与第三电压控制接口连接，所述第四扇形寄生贴片通过第四贴片电感与第四电压控制接口连接，所述第三电压控制接口和第四电压控制接口分别与第二电压控制模块连接，所述第五扇形寄生贴片通过第五贴片电感与第五电压控制接口连接，所述第六扇形寄生贴片通过第六贴片电感与第六电压控制接口连接，所述第五电压控制接口和第六电压控制接口分别与第三电压控制模块连接，所述第七扇形寄生贴片通过第七贴片电感与第七电压控制接口连接，所述第八扇形寄生贴片通过第八贴片电感与第八电压控制接口连接，所述第七电压控制接口和第八电压控制接口分别与第四电压控制模块连接，其中，上述贴片电感的作用就是为了阻隔扇形寄生贴片的电流通过电压控制接口进入电压控制模块；所述第一介质板的上表面设有接地板，其下表面形成有覆铜层，所述接地板上设有十字耦合孔径，所述第一介质板下表面的覆铜层上分别设有第一耦合馈线、第二耦合馈线及用于提供相位差为±90°信号的分支线定向耦合器，且在所述第一介质板上表面和下表面的覆铜层上分别制作有第一输入端口和第二输入端口，所述第一耦合馈线经过分支线定向耦合器与第一输入端口连接，通过第一输入端口进行馈电能够实现右旋圆极化，所述第二耦合馈线经过分支线定向耦合器与第二输入端口连接，通过第二输入端口进行馈线能够实现左旋圆极化，从第一输入端口和第二输入端口馈入的能量最终通过十字耦合孔径耦合到圆形贴片。

进一步，所述第一介质板和第二介质板的尺寸大小及材质一样。

进一步，所述十字耦合孔径位于圆形贴片的正下方。

进一步，所述分支线定向耦合器为3dB/90°定向耦合器，其输入输出端口均为50欧姆阻抗匹配。

进一步，所述第一耦合馈线和第二耦合馈线的电长度一样。

进一步，所述第一输入端口和第二输入端口均为50欧姆的阻抗匹配端口。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型天线工作频率为2GHz，可以通过调节变容二极管的两端实现±20°的波束扫描角度变换，并且在±45°两个平面内实现角度的变换。

2、本实用新型天线在改变波束方向的同时可保持反射系数S₁₁在-10dB以下。

3、本实用新型天线可以实现左旋极化和右旋极化两种极化方式。

4、本实用新型天线加工简单，重量轻，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的双圆极化波束可重构微带天线的立体图。

图2为本实用新型的双圆极化波束可重构微带天线的侧视图。

图3为本实用新型的双圆极化波束可重构微带天线的俯视图。

图4为本实用新型的双圆极化波束可重构微带天线的仰视图。

图5为本实用新型的双圆极化波束可重构微带天线的S₁₁和S₂₂仿真结果图。

图6为本实用新型的双圆极化波束可重构微带天线的波束方向仿真结果图；图中，(a)为+45°面左旋圆极化，(b)为+45°面右旋圆极化，(c)为-45°面左旋圆极化，(d)为-45°面右旋圆极化。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图1至图4所示，本实施例所提供的双圆极化波束可重构微带天线，包括第一介质板1、第二介质板2、第一电压控制模块M1、第二电压控制模块M2、第三电压控制模块M3和第四电压控制模块M4；所述第二介质板2位于第一介质板1上方，两介质板之间存在空气层6，空气层6的主要作用是为了提高天线的增益；所述第二介质板2的上表面形成有覆铜层5，所述覆铜层5上分别设有圆形贴片7、第一扇形寄生贴片8、第二扇形寄生贴片9、第三扇形寄生贴片10、第四扇形寄生贴片11、第五扇形寄生贴片12、第六扇形寄生贴片13、第七扇形寄生贴片14、第八扇形寄生贴片15、第一变容二极管C1、第二变容二极管C2、第三变容二极管C3、第四变容二极管C4、第一贴片电感L1、第二贴片电感L2、第三贴片电感L3、第四贴片电感L4、第五贴片电感L5、第六贴片电感L6、第七贴片电感L7、第八贴片电感L8、第一电压控制接口16、第二电压控制接口17、第三电压控制接口18、第四电压控制接口19、第五电压控制接口20、第六电压控制接口21、第七电压控制接口22、第八电压控制接口23；所述圆形贴片7位于覆铜层5的中间位置，作为整个天线的主要辐射源；所述第一扇形寄生贴片8和第二扇形寄生贴片9通过第一变容二极管C1连接形成一个寄生单元，且关于第一变容二极管C1对称；所述第三扇形寄生贴片10和第四扇形寄生贴片11通过第二变容二极管C2连接形成一个寄生单元，且关于第二变容二极管C2对称；所述第五扇形寄生贴片12和第六扇形寄生贴片13通过第三变容二极管C3连接形成一个寄生单元，且关于第三变容二极管C3对称；所述第七扇形寄生贴片14和第八扇形寄生贴片15通过第四变容二极管C4连接形成一个寄生单元，且关于第四变容二极管C4对称；上述四个寄生单元均布在圆形贴片7的四周，并处于同一圆周上，与圆形贴片7同一圆心，且两两寄生单元关于圆形贴片7的对称轴呈镜像对称，变容二极管的中心点在经过圆形贴片圆心的±45°交叉线位置上，通过调节变容二极管的电容值，能够使得四个寄生单元产生的电流分布不一样，从而实现波束方向的控制；所述第一扇形寄生贴片8通过第一贴片电感L1与第一电压控制接口16连接，所述第二扇形寄生贴片9通过第二贴片电感L2与第二电压控制接口17连接，所述第一电压控制接口16和第二电压控制接口17分别与第一电压控制模块M1连接，所述第三扇形寄生贴片10通过第三贴片电感L3与第三电压控制接口18连接，所述第四扇形寄生贴片11通过第四贴片电感L4与第四电压控制接口19连接，所述第三电压控制接口18和第四电压控制接口19分别与第二电压控制模块M2连接，所述第五扇形寄生贴片12通过第五贴片电感L5与第五电压控制接口20连接，所述第六扇形寄生贴片13通过第六贴片电感L6与第六电压控制接口21连接，所述第五电压控制接口20和第六电压控制接口21分别与第三电压控制模块M3连接，所述第七扇形寄生贴片14通过第七贴片电感L7与第七电压控制接口22连接，所述第八扇形寄生贴片15通过第八贴片电感L8与第八电压控制接口23连接，所述第七电压控制接口22和第八电压控制接口23分别与第四电压控制模块M4连接，其中，上述贴片电感的作用就是为了阻隔扇形寄生贴片的电流通过电压控制接口进入电压控制模块；所述第一介质板1的上表面设有接地板4，其下表面形成有覆铜层3，所述接地板4上设有十字耦合孔径24，所述第一介质板1下表面的覆铜层3上分别设有第一耦合馈线25、第二耦合馈线26及用于提供相位差为±90°信号的分支线定向耦合器27，且在所述第一介质板1上表面和下表面的覆铜层3上分别制作有第一输入端口28和第二输入端口29，所述第一耦合馈线25经过分支线定向耦合器27与第一输入端口28连接，通过第一输入端口28进行馈电能够实现右旋圆极化，所述第二耦合馈线26经过分支线定向耦合器27与第二输入端口29连接，通过第二输入端口29进行馈线能够实现左旋圆极化，从第一输入端口28和第二输入端口29馈入的能量最终通过十字耦合孔径24耦合到圆形贴片7。

设计中第一介质板1和第二介质板2的介电常数均为2.55，损耗角正切为0.0029。第一介质板1和第二介质板2的厚度均为0.8毫米；空气层6的厚度为2毫米。扇形寄生贴片长度是在所设计频率的四分之一的波长附近取值。贴片电感的数值均为270nH。十字耦合孔径24位于圆形贴片7的正下方。第一耦合馈线25和第二耦合馈线26的电长度一样。分支线定向耦合器27为输入输出端口均为50欧姆阻抗匹配的3dB/90°定向耦合器，用于实现±90°的相位差的输入信号。第一输入端口28和第二输入端口29均为50欧姆的阻抗匹配端口。

参见图5所示，显示了本实施例上述双圆极化波束可重构微带天线的S₁₁和S₂₂的仿真结果。由图中可以看到，当改变不同的电容值基本不改变反射系数的特性，反射系数保持在-10dB以下。

参见图6所示，显示了本实施例上述双圆极化波束可重构微带天线的波束方向仿真结果。由图中可以看到，设置不同的电容值是，波束方向可以从-20°到+20°改变，+45°面是由第一、三变容二极管C1、C3和圆形贴片7三个中心点所在的一个垂直于介质板的平面；-45°面是由第二、四变容二极管C2、C4和圆形贴片7三个中心点所在的一个垂直于介质板的平面。

以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种双圆极化波束可重构微带天线，其特征在于：包括第一介质板、第二介质板、第一电压控制模块、第二电压控制模块、第三电压控制模块和第四电压控制模块；所述第二介质板位于第一介质板上方，两介质板之间存在空气层，用于提高天线的增益；所述第二介质板的上表面形成有覆铜层，所述覆铜层上分别设有圆形贴片、第一扇形寄生贴片、第二扇形寄生贴片、第三扇形寄生贴片、第四扇形寄生贴片、第五扇形寄生贴片、第六扇形寄生贴片、第七扇形寄生贴片、第八扇形寄生贴片、第一变容二极管、第二变容二极管、第三变容二极管、第四变容二极管、第一贴片电感、第二贴片电感、第三贴片电感、第四贴片电感、第五贴片电感、第六贴片电感、第七贴片电感、第八贴片电感、第一电压控制接口、第二电压控制接口、第三电压控制接口、第四电压控制接口、第五电压控制接口、第六电压控制接口、第七电压控制接口、第八电压控制接口；所述圆形贴片位于覆铜层的中间位置，作为整个天线的主要辐射源；所述第一扇形寄生贴片和第二扇形寄生贴片通过第一变容二极管连接形成一个寄生单元，且关于第一变容二极管对称；所述第三扇形寄生贴片和第四扇形寄生贴片通过第二变容二极管连接形成一个寄生单元，且关于第二变容二极管对称；所述第五扇形寄生贴片和第六扇形寄生贴片通过第三变容二极管连接形成一个寄生单元，且关于第三变容二极管对称；所述第七扇形寄生贴片和第八扇形寄生贴片通过第四变容二极管连接形成一个寄生单元，且关于第四变容二极管对称；上述四个寄生单元均布在圆形贴片的四周，并处于同一圆周上，与圆形贴片同一圆心，且两两寄生单元关于圆形贴片的对称轴呈镜像对称，变容二极管的中心点在经过圆形贴片圆心的±45°交叉线位置上，通过调节变容二极管的电容值，能够使得四个寄生单元产生的电流分布不一样，从而实现波束方向的控制；所述第一扇形寄生贴片通过第一贴片电感与第一电压控制接口连接，所述第二扇形寄生贴片通过第二贴片电感与第二电压控制接口连接，所述第一电压控制接口和第二电压控制接口分别与第一电压控制模块连接，所述第三扇形寄生贴片通过第三贴片电感与第三电压控制接口连接，所述第四扇形寄生贴片通过第四贴片电感与第四电压控制接口连接，所述第三电压控制接口和第四电压控制接口分别与第二电压控制模块连接，所述第五扇形寄生贴片通过第五贴片电感与第五电压控制接口连接，所述第六扇形寄生贴片通过第六贴片电感与第六电压控制接口连接，所述第五电压控制接口和第六电压控制接口分别与第三电压控制模块连接，所述第七扇形寄生贴片通过第七贴片电感与第七电压控制接口连接，所述第八扇形寄生贴片通过第八贴片电感与第八电压控制接口连接，所述第七电压控制接口和第八电压控制接口分别与第四电压控制模块连接，其中，上述贴片电感的作用就是为了阻隔扇形寄生贴片的电流通过电压控制接口进入电压控制模块；所述第一介质板的上表面设有接地板，其下表面形成有覆铜层，所述接地板上设有十字耦合孔径，所述第一介质板下表面的覆铜层上分别设有第一耦合馈线、第二耦合馈线及用于提供相位差为±90°信号的分支线定向耦合器，且在所述第一介质板上表面和下表面的覆铜层上分别制作有第一输入端口和第二输入端口，所述第一耦合馈线经过分支线定向耦合器与第一输入端口连接，通过第一输入端口进行馈电能够实现右旋圆极化，所述第二耦合馈线经过分支线定向耦合器与第二输入端口连接，通过第二输入端口进行馈线能够实现左旋圆极化，从第一输入端口和第二输入端口馈入的能量最终通过十字耦合孔径耦合到圆形贴片。

2.根据权利要求1所述的一种双圆极化波束可重构微带天线，其特征在于：所述第一介质板和第二介质板的尺寸大小及材质一样。

3.根据权利要求1所述的一种双圆极化波束可重构微带天线，其特征在于：所述十字耦合孔径位于圆形贴片的正下方。

4.根据权利要求1所述的一种双圆极化波束可重构微带天线，其特征在于：所述分支线定向耦合器为3dB/90°定向耦合器，其输入输出端口均为50欧姆阻抗匹配。

5.根据权利要求1所述的一种双圆极化波束可重构微带天线，其特征在于：所述第一耦合馈线和第二耦合馈线的电长度一样。

6.根据权利要求1所述的一种双圆极化波束可重构微带天线，其特征在于：所述第一输入端口和第二输入端口均为50欧姆的阻抗匹配端口。