CN106229682A - 一种双频方向图可重构介质谐振天线 - Google Patents

Abstract

一种双频方向图可重构介质谐振天线，涉及无线通信技术领域。本发明是为了解决现有介质谐振天线只能在单一频段内实现两种特定辐射方向的切换，辐射方向受到局限的问题。本发明所述的一种双频方向图可重构介质谐振天线，对称的引入了两个寄生单元，通过PIN二极管的通断状态改变寄生单元的尺寸，使寄生单元分别作为引向器和反射器，实现了天线多个特定方向的辐射方向性和并提高了增益。

Description

一种双频方向图可重构介质谐振天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域。

背景技术

自20世纪70年代以来微带天线得到很大发展，并在移动通信、雷达、卫星通信、全球定位系统等领域已有应用。尽管现有已经深入而广泛研究的微带天线具有了质量轻、剖面低的优点，但是对于高频段的高金属欧姆损耗和低频段的大几何尺寸这两个技术瓶颈，还是在一定程度上限制了微带天线的继续发展和应用。

近年来，一种新型天线——介质谐振天线因其良好的性能受到了越来越多的关注和研究。可重构天线的概念起源于1983年美国的一个专利“Frequency-Agile，Polarization Diverse Microstrip Antenna and Frequency Scanned Arrays”(频率捷变极化分集微带天线和频率扫面阵列天线)。在多种应用需求的牵引下，国内外公司和众多科研院所进行了大量的可重构天线研究，已成为当前无线通信领域的一项关键技术，并将微电子、电子机械、射频技术等不同学科领域的技术与天线相结合。

一种应用于IEEE802.11zc多用户多输入多输出应用的双极化介质谐振天线的方向图可重构方案[“Pattern-Reconfigurable Dual-Polarized Dielectric ResonatorAntenna”，IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2016，15：1273-1276.(双极化频率可重构介质谐振天线，)]采用低耗的GaAs SPDT开关(砷化镓单刀双掷开关)控制介质谐振天线的两条馈电路径切换，电可控地在5GHz到6GHz的阻抗带宽内实现了单向和心形的辐射方向图。

但是上述介质谐振天线只能在单一频段内实现两种特定辐射方向的切换，辐射方向仍然受到局限。

发明内容

本发明是为了解决现有介质谐振天线只能在单一频段内实现两种特定辐射方向的切换，辐射方向受到局限的问题，现提供一种双频方向图可重构介质谐振天线。

一种双频方向图可重构介质谐振天线，该介质谐振天线的背面设有两组镜像对称的寄生单元，且两组寄生单元的长短可调

上述一种双频方向图可重构介质谐振天线，寄生单元包括两个开关和三段寄生带条，三段寄生带条沿纵向排布在一条直线上，且相邻的两段寄生带条通过1个开关相连。

上述一种双频方向图可重构介质谐振天线，开关为PIN二极管。

上述一种双频方向图可重构介质谐振天线，寄生带条为厚度为0.037mm的金属覆层。

上述一种双频方向图可重构介质谐振天线，寄生带条为矩形或弧形。

基于微扰理论和加载理论，寄生单元可在一定程度上影响着天线的频率、极化、方向图特性，可控制寄生单元对于频率和极化特性几乎无影响，却能够起到反射器或引向器的作用，控制天线辐射方向的变化。因此，可利用多个寄生单元的近距加载实现方向图的可重构。本发明所述的一种双频方向图可重构介质谐振天线，对称的引入了两个寄生单元，通过PIN二极管的通断状态改变寄生单元的尺寸，使寄生单元分别作为引向器和反射器，实现了天线多个特定方向的辐射方向性和并提高了增益。

附图说明

图1为本发明所述的一种双频方向图可重构介质谐振天线的主视图；

图2为图1的右视图；

图3为图1的后视图；

图4为不同开关状态下反射系数随频率的变化曲线图；

其中，曲线1表示PIN二极管K1、PIN二极管K2、PIN二极管K3和PIN二极管K4全部开启，曲线2表示PIN二极管K1和PIN二极管K2关闭且PIN二极管K3和PIN二极管K4开启，或者PIN二极管K1和PIN二极管K2开启且PIN二极管K3和PIN二极管K4关闭，曲线3表示PIN二极管K1、PIN二极管K2、PIN二极管K3和PIN二极管K4全部关闭；

图5为2.2GHz条件下的归一化辐射增益方向图，其中实线表示PIN二极管K1和PIN二极管K2断开，虚线表示：PIN二极管K3和PIN二极管K4断开；

图6为6GHz条件下的归一化辐射增益方向图，其中实线表示PIN二极管K1和PIN二极管K2断开，虚线表示：PIN二极管K3和PIN二极管K4断开。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种双频方向图可重构介质谐振天线，该介质谐振天线包括：PIN二极管K1、PIN二极管K2、PIN二极管K3、PIN二极管K4、介质板、六条寄生带条、介质谐振器、两个中心馈电体和两个共面波导地板；

介质谐振器、两条中心馈电体和两个共面波导地板均位于介质板的正面，两条中心馈电体纵向排布，并通过介质谐振器相连，两个共面波导地板分别位于中心馈电体的两侧；上述介质谐振器为可为圆柱、圆锥或其他形状，优选的介电常数为10.2；中心馈电体用于中心激励，连接电源正极，其形状可为矩形、圆片或其他形状；共面波导地板可为矩形、圆片或其他形状，连接电源负极；介质板的尺寸为60mm*50mm*1.6mm，材料为聚四氟乙烯；中心馈电体和共面波导地板均为厚度为0.037mm的金属覆层。PIN二极管K1、PIN二极管K2、PIN二极管K3、PIN二极管K4和六条寄生带条均位于介质板背面，每三条寄生带条为一组，每组中一条寄生带条的首尾两端分别与剩余两条寄生带条的首端通过两个PIN二极管相连。寄生带条为厚度为0.037mm的金属覆层，寄生单元可为矩形、环形或其他形状，根据形状不同对天线的辐射起到不同的近场加载作用。介质谐振天线的具体尺寸见表1。

表1介质谐振天线的尺寸表

参数	W	g	l	r	h	L1	W1	L2	W2	L3	W3
												值(mm)	2	0.35	34	5.9	5	15	22	14	3	33	40

本实施方式所述的一种双频方向图可重构介质谐振天线，在共面波导激励的圆柱形介质谐振天线的背面设置两个寄生单元，并利用开关控制寄生单元的长短，进而使得两个寄生单元发挥引向器或反射器的作用，实现双频、或单频、多频特性。上述利用开关控制寄生单元的长短的具体原理是：每组中一条寄生带条的首尾两端分别与剩余两条寄生带条的首端通过两个PIN二极管相连，这样就形成呈一条直线纵向排布的三段，相邻的两段通过二极管相连，当二极管全部关断时，寄生带条就是最短的形态，每连通一个二极管，则等于延长了寄生带条的长度，实现长短可控的目的。

在实际应用时，设定如图3所示PIN二极管K1和PIN二极管K2的正负异向放置，便于偏置电路的设计，中间段设定负偏置电压，两边设定正偏置电压时导通，中间设定正偏置电压、两边设定负偏置电压时断开，当采用另一种异向放置时，偏置电压与上述相反。PIN二极管K3、PIN二极管K4同理。如图4所示，图4描述了不同开关通断对应的不同工作模式下反射系数随频率的变化曲线。当所有开关均导通工作时，长的寄生带条对的加载较大的影响了低频谐振点处的阻抗，造成阻抗失配，天线单频段工作。其他三种模式均具有双频特性。由于两组开关分别导通断开具有完全的对称性，其仿真阻抗带宽完全一致。当开关全部断开时，低频谐振频率向上偏移，高频谐振频率向下偏移。

在相同天线结构、相同极化模式下，通过控制两个寄生单元上PIN二极管开关的通断，介质谐振天线在双频带内的辐射方向图均实现了双辐射方向的可重构特性。图5和图6分别为两谐振点处两开关状态下的E面方向图。在低谐振频率处，两种状态下最大辐射方向相距180°；在高谐振频率处，两种状态下最大辐射方向相距90°。

现有谐振天线不能满足多波束指向和结构简单的需求且只工作在单一频段，本实施方式所述的一种双频方向图可重构介质谐振天线，在介质板下面基于近距加载原理引入的寄生带条，由二极管控制长短，可实现类似八木天线中引向器和反相器的作用，实现辐射方向的调节。由于圆柱形介质谐振器的谐振频率与带线的谐振频率相距甚远，实现双频工作特性，经仿真验证，在两工作频带内，当控制两组开关组合通断时，可实现最大辐射方向的改变。

Claims (5)

1.一种双频方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，该介质谐振天线的背面设有两组镜像对称的寄生单元，且两组寄生单元的长短可调。

2.根据权利要求1所述的一种双频方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，寄生单元包括两个开关和三段寄生带条，三段寄生带条沿纵向排布在一条直线上，且相邻的两段寄生带条通过1个开关相连。

3.根据权利要求2所述的一种双频方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，开关为PIN二极管。

4.根据权利要求2所述的一种双频方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，寄生带条为厚度为0.037mm的金属覆层。

5.根据权利要求2所述的一种双频方向图可重构介质谐振天线，其特征在于，寄生带条为矩形或弧形。