CN211088508U - 一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线 - Google Patents
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Abstract
一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，包括半模衬底集成空腔(1)和开关电路(2)，半模衬底集成空腔(1)由导电顶面(3)、介质衬底(4)、导电底面(5)、馈电探针(6)、导电侧壁(7)、耦合开口(8)构成，半模衬底集成空腔(1)分为镜像对称放置的上部半模衬底集成空腔(11)和下部半模衬底集成空腔(12)，开关电路(2)包括上部开关(21)和下部开关(22)。本实用新型的天线为单片天线，体积小且扁平，适用于便携式和可穿戴设备，能够实现单片天线的辐射方向图定频重构，具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线技术领域，具体涉及一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线。
背景技术
近年来，具有辐射方向图可重构特性的天线因其在动态可调方向上发射、接收信号的灵活性成为天线领域的研究热点之一。天线阵列可以通过控制馈电网络中的各单元信号源的幅度、相位实现辐射方向图重构，可以得到方向性强且高增益的辐射方向图，但同时具有尺寸大结构复杂等缺点。但便携式和可穿戴应用对于天线尺寸的限制较大，并且并不需要很高的天线增益，因此天线阵列形式的方向图可重构天线不适合此类应用。设计需要模式可重构的天线具有中等增益，简单的结构和小尺寸，大天线阵列不是一个合适的解决方案。因此，无需复杂馈电网络的可重构单元天线可能更适合于此类应用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种尺寸小、结构简单的基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，以克服现有的阵列天线结构复杂、尺寸大，不适用于便携式和可穿戴设备的问题。
为实现上述实用新型目的，本实用新型的技术方案具体如下：
一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，包括半模衬底集成空腔和开关电路，半模衬底集成空腔由导电顶面、介质衬底、导电底面、馈电探针、导电侧壁、耦合开口组成；半模衬底集成空腔分为镜像对称放置的上部半模衬底集成空腔和下部半模衬底集成空腔，所述开关电路包括上部开关和下部开关。所述馈电探针为铜质圆柱，铜质圆柱顶端与所述导电顶面连接，铜质圆柱底端与所述导电底面之间绝缘，所述馈电探针位于下部半模衬底集成空腔内，上部开关顶端连接导电顶面，上部开关底端连接导电底面，下部开关顶端连接导电顶面，下部开关底端连接导电底面。
导电侧壁由等距排列的铜质过孔组成，铜质过孔顶端连接导电顶面，铜质过孔底端连接导电底面；导电侧壁分为左侧导电侧壁、右侧导电侧壁和中间导电侧壁，左侧导电侧壁和右侧导电侧壁分别位于导电顶面的左右两侧，中间导电侧壁位于导电顶面的中间位置；中间导电侧壁的上下两侧分别是上部半模衬底集成空腔和下部半模衬底集成空腔；上部开关位于上部半模衬底集成空腔边缘处，下部开关位于下部半模衬底集成空腔边缘处。耦合开口位于中间导电侧壁的中心位置；介质衬底为长方体结构，导电顶面为矩形结构，导电顶面位于介质衬底顶面中心位置；导电底面为矩形结构，导电底面位于介质衬底底面中心位置。
进一步的，所述上部开关和下部开关由开关二极管电路构成。
进一步的，所述导电顶面和导电底面为敷铜。
进一步的，铜质圆柱的半径为0.6mm。
进一步的，所述铜质过孔的半径为0.4mm，所述铜质过孔间间距为2mm。
进一步的，所述耦合开口的间距为9mm。
进一步的，所述介质衬底为长方体结构，介质衬底长为110mm，宽为110mm，高为1.58mm；介质衬底材质为Rogers RT/duroid 5880，所述导电底面尺寸与所述介质衬底底面尺寸相同，所述导电顶面的长为67.8mm，宽为57.8mm。
进一步的，所述开关电路距离右侧导电侧壁间距为3mm时，阻抗匹配最佳。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
本实用新型的一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线为单片天线，体积小且扁平，适用于便携式和可穿戴设备；该天线的工作频率为2.45GHz，当开关电路所包含的上部开关和下部开关同时处于导通状态时，xz平面辐射方向图的主波束方向为36°，最大增益为8.0dBi，天线辐射效率为94％，当开关电路所包含的上部开关和下部开关同时处于断开状态时，xz平面辐射方向图的主波束方向为12°，最大增益为8.1dBi，天线辐射效率为93％，能够实现单片天线的辐射方向图定频重构，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型实例一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线的结构示意图；
图2为本实用新型实例一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线的仿真、实测回波损耗曲线，其中，虚线代表仿真曲线，实线代表实测曲线；
图3为本实用新型实例一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线的2.45GHz仿真、实测归一化xz平面归一化辐射方向图，其中，虚线代表仿真曲线，实线代表实测曲线，图a为上部开关(21)和下部开关(22)均处于断开状态，图b为上部开关(21)和下部开关(22)均处于导通状态；
图1中：1-半模衬底集成空腔；11-上部半模衬底集成空腔；12-下部半模衬底集成空腔；2-开关电路；21-上部开关；22-下部开关；3-导电顶面；4-介质衬底；5-导电底面；6-馈电探针；7-导电侧壁；71-左侧导电侧壁；72-右侧导电侧壁；73-中间导电侧壁；8-耦合开口。
具体实施方式：
下面将结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例：
如图1所示，一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，包括半模衬底集成空腔1和开关电路2。半模衬底集成空腔1由导电顶面3、介质衬底4、导电底面5、馈电探针6、导电侧壁7、耦合开口8构成。半模衬底集成空腔1分为镜像对称放置的上部半模衬底集成空腔11和下部半模衬底集成空腔12。开关电路2包括上部开关21和下部开关22。上部开关21顶端连接导电顶面3，上部开关21底端连接导电底面5。下部开关22顶端连接导电顶面3，下部开关22底端连接导电底面5。上部开关21和下部开关22均由开关二极管电路构成。上部开关21位于上部半模衬底集成空腔11边缘处，下部开关22位于下部半模衬底集成空腔12边缘处。
导电侧壁7均具有良好的导电性能，导电侧壁7由等距排列的铜质过孔组成，铜质过孔顶端连接导电顶面3，所述铜质过孔底端连接导电底面5。铜质过孔的半径为0.4mm，所述铜质过孔的间距为2mm。导电侧壁7分为左侧导电侧壁71、右侧导电侧壁72和中间导电侧壁73。左侧导电侧壁71和右侧导电侧壁72分别位于导电顶面3的左右两侧，中间导电侧壁73位于导电顶面3的中间位置。上部半模衬底集成空腔11和下部半模衬底集成空腔12分别位于中间导电侧壁73的上下两侧。耦合开口8位于中间导电侧壁73的中心位置，耦合开口8的间距为9mm时，天线阻抗匹配最佳。所述开关电路2距离右侧导电侧壁间距为3mm时，阻抗匹配最佳馈电探针6位于下部半模衬底集成空腔12内，馈电探针6为一个铜质圆柱，铜质圆柱顶端与所述导电顶面连接，铜质圆柱底端与所述导电底面之间绝缘，该铜质圆柱半径为0.6mm。
导电顶面3位于介质衬底4顶面中心位置。导电底面5位于介质衬底4底面中心位置。导电顶面3和导电底面5为敷铜，具有良好的导电性能。介质衬底4为长方体结构，介质衬底4的长为110mm，宽为110mm，高为1.58mm；介质衬底4使用的Rogers RT/duroid 5880材质，该介质衬底4的相对介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009。该导电底面5尺寸与介质衬底4底面尺寸相同，即导电底面5为正方形结构，导电底面5长为110mm，宽为110mm。导电顶面3为长方形结构，导电顶面3长为67.8mm，宽为57.8mm。
下部半模衬底集成空腔11由馈电探针6获得激励，上部半模衬底集成空腔12通过耦合开口8获得激励。在2.45GHz，当上部开关21和下部开关22同时处于导通或断开状态时，上部半模衬底集成空腔11和下部半模衬底集成空腔12中分别为偶模和奇模状态，辐射方向图具有不同的主波束方向，实现了定频方向图重构。
使用电磁仿真软件HFSS进行仿真分析，得出一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线尺寸结构：W＝110mm，L＝110mm，d＝3mm。
图2为本实用新型实例一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线仿真、实测回波损耗曲线，可以看出，仿真曲线与实测曲线吻合良好，其中，左侧曲线对应上部开关21和下部开关22均处于断开状态，右侧曲线对应上部开关21和下部开关22均处于导通状态。
图3所示为本实用新型实例一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线的2.45GHz仿真、实测xz平面归一化辐射方向图，可以看出，仿真曲线与实测曲线大致吻合，其中，虚线代表仿真曲线，实线代表实测曲线，图(a)对应上部开关21和下部开关22均处于断开状态，图(b)对应上部开关21和下部开关22均处于导通状态。
Claims (8)
1.一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，其特征在于：包括半模衬底集成空腔(1)和开关电路(2)，所述半模衬底集成空腔(1)由导电顶面(3)、介质衬底(4)、导电底面(5)、馈电探针(6)、导电侧壁(7)、耦合开口(8)构成，所述半模衬底集成空腔(1)分为镜像对称放置的上部半模衬底集成空腔(11)和下部半模衬底集成空腔(12)，所述开关电路(2)包括上部开关(21)和下部开关(22)；
所述馈电探针(6)为铜质圆柱，铜质圆柱顶端与所述导电顶面(3)连接，铜质圆柱底端与所述导电底面(5)之间绝缘，所述馈电探针(6)位于下部半模衬底集成空腔(12)内，上部开关(21)顶端连接导电顶面(3)，上部开关(21)底端连接导电底面(5)，下部开关(22)顶端连接导电顶面(3)，下部开关(22)底端连接导电底面(5)；
所述导电侧壁(7)由等距排列的铜质过孔组成，铜质过孔顶端连接导电顶面(3)，铜质过孔底端连接导电底面(5)；所述导电侧壁(7)分为左侧导电侧壁(71)、右侧导电侧壁(72)和中间导电侧壁(73)，左侧导电侧壁(71)和右侧导电侧壁(72)分别位于导电顶面(3)的左右两侧，中间导电侧壁(73)位于导电顶面(3)的中间位置；中间导电侧壁(73)的上下两侧分别是上部半模衬底集成空腔(11)和下部半模衬底集成空腔(12)；所述上部开关(21)位于上部半模衬底集成空腔(11)边缘处，下部开关(22)位于下部半模衬底集成空腔(12)边缘处，耦合开口(8)位于中间导电侧壁(73)的中心位置；
介质衬底(4)为长方体结构，导电顶面(3)为矩形结构，导电顶面(3)位于介质衬底(4)顶面中心位置；导电底面(5)为矩形结构，导电底面(5)位于介质衬底(4)底面中心位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，其特征在于：所述上部开关(21)和下部开关(22)由开关二极管电路构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，其特征在于：所述导电顶面(3)和导电底面(5)为敷铜。
4.根据权利要求1所述的一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，其特征在于：所述铜质圆柱的半径为0.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，其特征在于：所述铜质过孔的半径为0.4mm，所述铜质过孔间间距为2mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，其特征在于：所述耦合开口(8)的间距为9mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，其特征在于：所述介质衬底(4)的长为110mm，宽为110mm，高为1.58mm；介质衬底(4)材质为Rogers RT/duroid 5880，所述导电底面(5)尺寸与所述介质衬底(4)底面尺寸相同，所述导电顶面(3)的长为67.8mm，宽为57.8mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线，其特征在于：所述开关电路(2)距离右侧导电侧壁(72)间距为3mm时，阻抗匹配最佳。
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| CN202020050252.6U CN211088508U (zh) | 2020-01-10 | 2020-01-10 | 一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线 |
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| CN111129753A (zh) * | 2020-01-10 | 2020-05-08 | 江苏师范大学 | 一种基于半模衬底集成空腔的定频方向图可重构天线 |
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- 2020-01-10 CN CN202020050252.6U patent/CN211088508U/zh active Active
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