CN217009552U - 波束可重构天线及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种波束可重构天线及电子设备，包括介质基板、共面波导、至少两个的金属单元以及四个射频开关，介质基板包括相对的第一面和第二面，共面波导包括第一地线、第二地线以及设于第一地线和第二地线之间的信号线；共面波导和四个射频开关设置于第一面上，至少两个的金属单元设置于第二面上，且呈周期性分布；第一射频开关和第二射频开关靠近共面波导的输入端，第三射频开关和第四射频开关靠近共面波导的输出端；信号线分别通过第一射频开关和第三射频开关连接第一地线，信号线分别通过第二射频开关和第四射频开关连接第二地线。本实用新型无需额外的补偿技术，即可实现单波束和多波束之间的切换。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种波束可重构天线及电子设备。
背景技术
天线是通信系统最重要组成部份之一。现行的5G移动通信标准里包含sub-6G和毫米波频段，它们通常使用MIMO多天线系统或者天线阵列来实现高增益、窄波束和高通信容量。为适应不断增多的用户数量和手持终端设备低成本、小型化的要求，多波束天线技术提供了一种实现高增益和大容量的解决途径。
可重构的波束天线的提出是基于优化基站覆盖模式的需求，波束的可重构可以实时调整基站容量，不同波束调节对应不同的流量模式，提高基站资源的利用率。
现有波束可重构天线通常结构复杂，需要使用额外的补偿技术或者可调节的阻抗匹配电路来纠正波束切换造成的频率特性的不稳定。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种波束可重构天线及电子设备，无需额外的补偿技术，即可实现单波束和多波束之间的切换。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种波束可重构天线，包括介质基板、共面波导、至少两个的金属单元以及四个射频开关，所述介质基板包括相对的第一面和第二面，所述共面波导包括第一地线、第二地线以及设于所述第一地线和第二地线之间的信号线，所述四个射频开关分别为第一射频开关、第二射频开关、第三射频开关和第四射频开关；
所述共面波导和四个射频开关设置于所述第一面上，所述至少两个的金属单元设置于所述第二面上；所述至少两个的金属单元呈周期性分布；所述第一射频开关和第二射频开关靠近所述共面波导的输入端，所述第三射频开关和第四射频开关靠近所述共面波导的输出端；所述信号线分别通过所述第一射频开关和第三射频开关连接所述第一地线，所述信号线分别通过所述第二射频开关和第四射频开关连接所述第二地线。
进一步地，当所述四个射频开关均断开时，激励端口包括第一激励端口和第二激励端口，所述第一激励端口位于所述信号线和所述第一地线之间，所述第二激励端口位于所述信号线和所述第二地线之间；当所述第一射频开关和第三射频开关闭合，第二射频开关和第四射频开关断开时，激励端口包括位于所述信号线和所述第二地线之间的第二激励端口；当所述第一射频开关和第三射频开关断开，第二射频开关和第四射频开关闭合时，激励端口包括位于所述信号线和所述第一地线之间的第一激励端口。
进一步地，当所述四个射频开关均断开时，所述第一激励端口的激励幅度与所述第二激励端口的激励幅度相同，所述第一激励端口的激励相位与所述第二激励端口的激励相位相差180°。
进一步地，所述第一地线、第二地线和信号线在所述介质基板上的投影分别与各金属单元在所述介质基板上的投影相交且垂直。
进一步地，所述共面波导的长度为240mm；所述第一地线和第二地线的宽度均为30mm，所述信号线的宽度为12mm；所述信号线与第一地线和第二地线之间的距离均为3mm。
进一步地，所述介质基板的介电常数为3，损耗角正切为0.001，厚度为1.52mm。
进一步地，所述金属单元为金属栅条，所述至少两个的金属单元的长度均为78mm，宽度均为3mm。
进一步地，所述金属单元的数量为40个，相邻的两个金属单元之间的距离为3mm。
本实用新型还提出一种电子设备，包括如上所述的波束可重构天线。
本实用新型的有益效果在于：通过设置周期性分布的金属单元，可激发平面共面波导的辐射模式，使其在传输过程中周期性地将能量辐射出去；通过设置连接信号线与两条地线的射频开关，后续可通过改变射频开关的组合状态来改变平面共面波导的激励模式，从而改变天线的电流分布，达到切换不同波束形态的目的。本实用新型无需额外的补偿技术，而是利用射频开关的状态切换，激励出平面共面波导的不同模式，从而实现单波束和多波束间的实时转换，同时，本实用新型的结构简单，加工难度低，且有利于与微波系统实现平面集成，提高系统集成度。
附图说明
图1为本实用新型实施例一的波束可重构天线的结构示意图；
图2为本实用新型实施例一的波束可重构天线的侧面示意图；
图3为本实用新型实施例一的波束可重构天线的扫描方向图。
标号说明：
1、介质基板；2、共面波导；3、金属单元；4、射频开关；
21、第一地线；22、第二地线；23、信号线；
41、第一射频开关；42、第二射频开关；43、第三射频开关；44、第四射频开关。
具体实施方式
为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
请参阅图1，一种波束可重构天线，包括介质基板、共面波导、至少两个的金属单元以及四个射频开关，所述介质基板包括相对的第一面和第二面，所述共面波导包括第一地线、第二地线以及设于所述第一地线和第二地线之间的信号线，所述四个射频开关分别为第一射频开关、第二射频开关、第三射频开关和第四射频开关；
所述共面波导和四个射频开关设置于所述第一面上，所述至少两个的金属单元设置于所述第二面上；所述至少两个的金属单元呈周期性分布；所述第一射频开关和第二射频开关靠近所述共面波导的输入端，所述第三射频开关和第四射频开关靠近所述共面波导的输出端；所述信号线分别通过所述第一射频开关和第三射频开关连接所述第一地线，所述信号线分别通过所述第二射频开关和第四射频开关连接所述第二地线。
从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：无需额外的补偿技术，即可实现单波束和多波束之间的切换，且有利于与微波系统实现平面集成，提高系统集成度。
进一步地，当所述四个射频开关均断开时，激励端口包括第一激励端口和第二激励端口，所述第一激励端口位于所述信号线和所述第一地线之间，所述第二激励端口位于所述信号线和所述第二地线之间；当所述第一射频开关和第三射频开关闭合，第二射频开关和第四射频开关断开时，激励端口包括位于所述信号线和所述第二地线之间的第二激励端口；当所述第一射频开关和第三射频开关断开，第二射频开关和第四射频开关闭合时，激励端口包括位于所述信号线和所述第一地线之间的第一激励端口。
由上述描述可知，当四个射频开关均断开时，天线馈线部分即平面共面波导，激励端口的数量为两个；当信号线一侧的两个射频开关均断开，另一侧的两个射频开关均闭合时，即平面共面波导中的一条地线与信号线连接，此时，天线馈线部分等效为单信号线与单地线结构，激励端口的数量仅为一个。
进一步地，当所述四个射频开关均断开时，所述第一激励端口的激励幅度与所述第二激励端口的激励幅度相同，所述第一激励端口的激励相位与所述第二激励端口的激励相位相差180°。
由上述描述可知，当四个射频开关均处于断开状态时，通过在共面波导的输入端口引入差分激励，使得每个金属单元上形成差分激励，周期性分布的金属单元类似于串联馈电的阵列天线，最终合成两个波束，即实现多波束模式。
进一步地，所述第一地线、第二地线和信号线在所述介质基板上的投影分别与各金属单元在所述介质基板上的投影相交且垂直。
由上述描述可知，可充分激发平面共面波导的辐射模式，优化天线性能。
进一步地，所述共面波导的长度为240mm；所述第一地线和第二地线的宽度均为30mm，所述信号线的宽度为12mm；所述信号线与第一地线和第二地线之间的距离均为3mm。
进一步地，所述介质基板的介电常数为3，损耗角正切为0.001，厚度为1.52mm。
进一步地，所述金属单元为金属栅条，所述至少两个的金属单元的长度均为78mm，宽度均为3mm。
进一步地，所述金属单元的数量为40个，相邻的两个金属单元之间的距离为3mm。
由上述描述可知，通过调节共面波导的走线参数、介质基板的电气参数和金属单元的周期，可调节天线的工作频率。
本实用新型还提出一种电子设备，包括如上所述的波束可重构天线。
实施例一
请参照图1-3，本实用新型的实施例一为：一种波束可重构天线，可应用于5G通信系统。
如图1所示，包括介质基板1、共面波导2、至少两个的金属单元3以及四个射频开关4，介质基板1包括相对的第一面和第二面，共面波导2包括第一地线21、第二地线22以及设于第一地线21和第二地线22之间的信号线23，第一地线21、第二地线22和信号线23平行，四个射频开关4分别为第一射频开关41、第二射频开关42、第三射频开关43和第四射频开关44。
共面波导2和四个射频开关4设置于第一面上；至少两个的金属单元3设置于第二面上，且呈周期性分布；第一地线21、第二地线22和信号线23在介质基板1上的投影分别与各金属单元3在介质基板1上的投影相交且垂直。
第一射频开关41和第二射频开关42靠近共面波导2的输入端，信号线23通过第一射频开关41连接第一地线21，信号线23通过第二射频开关42连接第二地线22；第三射频开关43和第四射频开关44靠近共面波导2的输出端，信号线23通过第三射频开关43连接第一地线21，信号线23通过第四射频开关44连接第二地线22。
本实施例的波束可重构天线的辐射主体由分别设于介质基板两面上的共面波导和金属单元构成，平面共面波导的基模为慢波模式，为传输模式而不是辐射模式，通过设置周期性分布的金属单元，可激发平面共面波导的辐射模式，使其在传输过程中周期性地将能量辐射出去。
其中，第一射频开关和第二射频开关越靠近共面波导的输入端，第三射频开关和第四射频开关越靠近共面波导的输出端，越易于实现且性能越好。
连接信号线和两条地线的射频开关用于实现平面共面波导传输模式的切换，开关的不同组合状态改变平面共面波导的激励模式，从而改变天线的电流分布，达到切换不同波束形态的目的。
具体地，当四个射频开关4均断开时，天线馈线部分即平面共面波导，激励端口的数量为两个，分别为位于信号线23和第一地线21之间的第一激励端口以及位于信号线23和第二地线22之间的第二激励端口。
当信号线23一侧的两个射频开关4均断开，另一侧的两个射频开关4均闭合时，即平面共面波导中的一条地线与信号线连接，此时，天线馈线部分等效为单信号线与单地线结构，激励端口的数量仅为一个，为位于信号线23和第一地线21之间的第一激励端口或位于信号线23和第二地线22之间的第二激励端口。具体地，当第一射频开关41和第三射频开关43闭合，第二射频开关42和第四射频开关44断开时，激励端口为位于信号线23和第二地线22之间的第二激励端口；当第一射频开关41和第三射频开关43断开，第二射频开关42和第四射频开关44闭合时，激励端口为位于信号线23和第一地线21之间的第一激励端口。
进一步地，当四个射频开关均处于断开状态时(模式1)，第一激励端口的激励幅度与第二激励端口的激励幅度相同，第一激励端口的激励相位与第二激励端口的激励相位相差180°。
当第一射频开关和第三射频开关断开，第二射频开关和第四射频开关闭合时，或当第一射频开关和第三射频开关闭合，第二射频开关和第四射频开关断开时(模式2)，在第二激励端口或第一激励端口进行激励，此时，激励幅度和激励相位不限定。
也就是说，当四个射频开关均处于断开状态时(模式1)，在平面共面波导的输入端口引入差分激励，即信号线与两条地线间的激励幅度相同但激励相位相差180°，这样设置使得每个金属单元上形成差分激励，周期性分布的金属单元类似于串联馈电的阵列天线，最终合成两个波束。
当信号线与其中一条地线之间的两个射频开关均处于断开状态，而信号线与另外一条地线之间的两个射频开关均处于闭合状态时(模式2)，即第一射频开关和第三射频开关断开，第二射频开关和第四射频开关闭合时，或第一射频开关和第三射频开关闭合，第二射频开关和第四射频开关断开时，天线馈线部份等效为单信号线与单地面的结构，在唯一的激励端口进行任意激励，形成单一波束。
本实施例中，共面波导2的长度为240mm，即第一地线21、第二地线22和信号线23的长度均为240mm；第一地线21和第二地线22的宽度g均为30mm，信号线23的宽度w为12mm；信号线23与第一地线21和第二地线22之间的距离s均为3mm。金属单元4呈条状，即金属单元4为金属栅条。金属栅条的数量为40个，每个金属栅条的长度均为78mm，宽度均为3mm；相邻的两个金属栅条之间的距离为3mm。
本实施例选用的介质基板1的型号为Rogers RO3003，介电常数为3，损耗角正切为0.001，厚度1.52mm。在其他实施例中，介质基板也可选用其他同等类型的介质基板。
进一步地，本实施例中的共面波导2和金属单元3可通过在介质基板1上覆金属层得到，如图2所示。
图3为本实施例的基于平面共面波导的波束可重构天线的扫描方向图，从图中可以看出，利用开关的切换，天线可以实现单波束和多波束的模式切换，其中，模式1表示多波束(双波束)模式，模式2表示单波束模式。
本实施例基于平面共面波导的结构设计，结构简单，加工难度低，且有利于与微波系统实现平面集成，提高系统集成度；无需额外补偿技术，利用开关的切换，激励出平面共面波导的不同模式，从而实现单波束和多波束间的实时转换。
综上所述，本实用新型提供的一种波束可重构天线及电子设备，通过使用平面共面波导，因其共面结构的设计，更有利于与微波系统实现平面集成，提高系统集成度；通过设置周期性分布的金属单元，可激发平面共面波导的辐射模式，使其在传输过程中周期性地将能量辐射出去；通过设置连接信号线和两条地线的射频开关，实现平面共面波导传输模式的切换，射频开关的不同组合状态可改变平面共面波导的激励模式，从而改变天线的电流分布，达到切换不同波束形态的目的；通过在平面共面波导的输入端口引入差分激励，当四个射频开关均断开时，可在每个金属单元上形成差分激励，周期性分布的金属单元类似于串联馈电的阵列天线，最终合成两个波束，即实现多波束模式；通过闭合连接信号线与其中一条地线的两个射频开关，将天线馈线部份等效为单信号线与单地面的结构，形成单一波束，即实现单波束模式。本实用新型无需额外的补偿技术，即可实现单波束和多波束之间的切换。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种波束可重构天线，其特征在于，包括介质基板、共面波导、至少两个的金属单元以及四个射频开关，所述介质基板包括相对的第一面和第二面，所述共面波导包括第一地线、第二地线以及设于所述第一地线和第二地线之间的信号线，所述四个射频开关分别为第一射频开关、第二射频开关、第三射频开关和第四射频开关；
所述共面波导和四个射频开关设置于所述第一面上，所述至少两个的金属单元设置于所述第二面上；所述至少两个的金属单元呈周期性分布；所述第一射频开关和第二射频开关靠近所述共面波导的输入端，所述第三射频开关和第四射频开关靠近所述共面波导的输出端；所述信号线分别通过所述第一射频开关和第三射频开关连接所述第一地线，所述信号线分别通过所述第二射频开关和第四射频开关连接所述第二地线。
2.根据权利要求1所述的波束可重构天线，其特征在于，当所述四个射频开关均断开时，激励端口包括第一激励端口和第二激励端口，所述第一激励端口位于所述信号线和所述第一地线之间，所述第二激励端口位于所述信号线和所述第二地线之间；
当所述第一射频开关和第三射频开关闭合，第二射频开关和第四射频开关断开时，激励端口包括位于所述信号线和所述第二地线之间的第二激励端口；
当所述第一射频开关和第三射频开关断开，第二射频开关和第四射频开关闭合时，激励端口包括位于所述信号线和所述第一地线之间的第一激励端口。
3.根据权利要求2所述的波束可重构天线，其特征在于，当所述四个射频开关均断开时，所述第一激励端口的激励幅度与所述第二激励端口的激励幅度相同，所述第一激励端口的激励相位与所述第二激励端口的激励相位相差180°。
4.根据权利要求1所述的波束可重构天线，其特征在于，所述第一地线、第二地线和信号线在所述介质基板上的投影分别与各金属单元在所述介质基板上的投影相交且垂直。
5.根据权利要求1所述的波束可重构天线，其特征在于，所述共面波导的长度为240mm；所述第一地线和第二地线的宽度均为30mm，所述信号线的宽度为12mm；所述信号线与第一地线和第二地线之间的距离均为3mm。
6.根据权利要求1所述的波束可重构天线，其特征在于，所述介质基板的介电常数为3，损耗角正切为0.001，厚度为1.52mm。
7.根据权利要求1所述的波束可重构天线，其特征在于，所述金属单元为金属栅条，所述至少两个的金属单元的长度均为78mm，宽度均为3mm。
8.根据权利要求1所述的波束可重构天线，其特征在于，所述金属单元的数量为40个，相邻的两个金属单元之间的距离为3mm。
9.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的波束可重构天线。
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Cited By (1)
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| CN114614246A (zh) * | 2022-02-15 | 2022-06-10 | 深圳市汇芯通信技术有限公司 | 波束可重构天线及电子设备 |
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2022
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