CN117954845B - 一种混合形式的多波束天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种混合形式的多波束天线，属于通信技术领域，该多波束天线包括介质谐振器、缝隙、中心铜探针、可重构缝隙开关电路、可重构功分开关电路、馈电微带线、开关直流偏置电路、金属地板以及尼龙螺钉。本发明通过将惠更斯原理、偏向激励结构和波束可重构技术引入到天线设计中，并用于混合形式的智能多波束天线实施例中，能够实现水平面线极化二维方向图可重构，同时还兼顾结构简单、体积小、成本低、高辐射效率的优点。该天线可在2.4GHz WLAN频段实现5种不同波束的切换，满足低成本多波束微基站和物联网智能天线的应用需求。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种混合形式的多波束天线。
背景技术
在面对动态变换的通信环境时，传统的单模或固定模天线已经无法满足5G和B5G系统对通信质量的高要求。方向图可重构天线以其具备动态波束切换、测向、补盲和干扰抑制等功能而备受瞩目，显著提高信道容量和抗干扰能力。此外，这一设计还同时具有广角覆盖范围，以适应有限尺寸的无线平台在各种复杂和变化的场景中的需求。因此，方向图可重构天线获得了广泛关注和研究。
过去十年中，波束可重构天线领域涌现了多种设计方案。首先，一种方法是在全向天线周围加载可切换的寄生结构，通过控制每个开关改变波束的方向。然而，这类天线存在着体积大和损耗大的问题。另一种设计方案采用多端口结构，通过切换不同端口的激励以调整天线波束的方向，但这需要复杂的馈电网络。第三种方法涉及采用损耗低的液态金属辐射体，但实现这一设计需要昂贵的机电伺服系统或液泵。最后一种方法是基于模态综合技术，通过组合不同天线模式来实现波束扫描性能，然而，该方案仍然存在体积大、增益低、倾斜角度小等缺陷。
尽管近年来推出了多种类型的模式可重构天线，但小型化天线设计领域的研究报道相对较为有限。在波束可重构设计中，惠更斯源天线突显出其卓越的优势，具备显著的定向辐射性能，并且无需引向器/反射器、金属腔或相对较大的接地平面。将惠更斯原理引入波束可重构天线设计中，有望改进现有波束可重构天线的缺点和不足。
通过上述对现有技术的综述分析，目前的波束可重构天线中，尚未有兼具体积小、结构简单、损耗低等优点的低成本小型化天线。目前的波束可重构天线体积较大、设计复杂、伺服系统昂贵，难以满足大规模2.4GHz WLAN频段的应用需求。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种混合形式的多波束天线，解决现有波束可重构天线的缺陷问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种混合形式的多波束天线，包括介质谐振器、缝隙、中心铜探针、可重构缝隙开关电路、可重构功分开关电路、馈电微带线、开关直流偏置电路、金属地板以及尼龙螺钉；
所述介质谐振器位于天线上，所述介质谐振器中设置有五个圆柱体和一个长方体孔，所述中心铜探针和尼龙螺钉分别一一放置于圆柱体中，所述可重构缝隙开关电路放置于长方体孔中，所述中心铜探针贯穿于缝隙和介质谐振器，且不与缝隙连接，所述缝隙蚀刻在金属地板上，所述中心铜探针作为惠更斯源中的等效电偶极子，所述缝隙作为惠更斯源中的等效磁偶极子，所述可重构缝隙开关电路设置于金属地板上，并分别与缝隙、中心铜探针以及开关直流偏置电路连接，所述可重构功分开关电路位于介质基板的背面，并与开关直流偏置电路连接，所述馈电微带线位于介质基板的背面，所述开关直流偏置电路印刷于介质基板的背面，所述金属地板敷于介质基板的上表面，且安装于介质谐振器的底部，所述尼龙螺钉位于介质谐振器和金属地板的四周。
进一步地，所述缝隙由位于介质基板底部的功分器提供馈电，并激励介质谐振器中的模式，所述缝隙为矩形缝隙。
再进一步地，所述可重构缝隙开关电路通过金属化过孔与印刷于介质基板背面的开关直流偏置电路连接。
再进一步地，所述可重构缝隙开关电路包括第一PIN二极管和第二PIN二极管，第一PIN二极管和第二PIN二极管分别一一对应与缝隙和中心铜探针连接；第一PIN二极管和第二PIN二极管分别沿+x方向和-x方向放置。
再进一步地，所述可重构功分开关电路包括两个放置于功分器分支处的第三PIN二极管和第四PIN二极管；第三PIN二极管和第四PIN二极管用于分别连接功分器的两个分支，并分别沿着+y方向和-y方向放置。
再进一步地，所述馈电微带线对金属地板上的缝隙进行激励。
再进一步地，所述开关直流偏置电路包括直流控制线，所述开关直流偏置电路包括直流控制线，所述开关直流偏置电路对缝隙处的开关状态和功分器上的开关状态进行控制。
本发明的有益效果是：
（1）本发明所提出的基于介质谐振器的混合形式智能多波束天线，具有小型化、结构简单、成本低、高辐射效率和多波束可重构等优点，适用于各类低成本多波束基站和物联网智能天线的应用；本发明中，利用了惠更斯原理，又引入偏向激励特性，使得天线可以在二维空间上实现多波束可重构，丰富了天线的辐射波束；本发明中，采用高介电常数的介质谐振器作为辐射体，有效地减小了后瓣分量，同时带来高增益、低损耗的优点；本发明中，利用四个PIN二极管设计了两个开关控制电路，仅需改变开关直流偏置电路上施加的偏置电压，就可以切换波束的偏转方向，从而大大降低设计复杂度，同时降低了成本，完成多波束灵活切换的功能。
（2）本发明实现了二维平面上波束可切换的功能，解决了传统单模或固定模天线无法实现波束定向偏转的局限，难以提供多个方向图和辐射全覆盖；本发明的天线实现了小型化的设计，无需在天线周围增加引向器/反射器等寄生结构，解决了天线体积较大不适用于小型化通信设备或系统的问题；本发明仅需一个馈电端口，解决了多端口结构其馈电网络设计难度大的问题，降低了设计复杂度；本发明仅需四个PIN二极管构成两个开关控制电路，通过切换不同的开关状态，即可实现二维平面上共五种波束偏转，解决了液态金属辐射体其伺服系统/液泵昂贵、成本过高的问题；本发明可根据不同的智能基站和物联网设备的应用需求，进行不同的波束方向切换，实现了灵活的定向辐射。
附图说明
图1为基于惠更斯原理的波束可重构天线3D视图。
图2为基于惠更斯原理的波束可重构天线三视图，其中，图2的（a）为俯视图，图2的（b）为侧视图，图2的（c）为前视图。
图3为基于惠更斯原理的一波束可重构天线辐射性能图。
图4为基于惠更斯原理的另一波束可重构天线辐射性能图。
图5为基于惠更斯原理的再另一波束可重构天线辐射性能图。
图6为基于偏向激励特性的波束可重构天线3D视图。
图7为基于偏向激励特性的波束可重构天线三视图，其中，图7的（a）为俯视图，图7的（b）为侧视图，图7的（c）为前视图。
图8为基于偏向激励特性的一波束可重构天线辐射性能图。
图9为基于偏向激励特性的另一波束可重构天线辐射性能图
图10为基于惠更斯原理和偏向激励特性的混合形式智能多波束天线3D视图。
图11为基于惠更斯原理和偏向激励特性的混合形式智能多波束天线三视图，其中，图11的（a）为俯视图，图11的（b）为侧视图，图11的（c）为前视图。
图12为基于惠更斯原理和偏向激励特性的混合形式智能多波束天线带宽图。
图13为基于惠更斯原理和偏向激励特性的第一混合形式智能多波束天线辐射性能图。
图14为基于惠更斯原理和偏向激励特性的第二混合形式智能多波束天线辐射性能图。
图15为基于惠更斯原理和偏向激励特性的第三混合形式智能多波束天线辐射性能图。
图16为基于惠更斯原理和偏向激励特性的第四混合形式智能多波束天线辐射性能图。
图17为基于惠更斯原理和偏向激励特性的第五混合形式智能多波束天线辐射性能图。
其中，1-介质谐振器，2-缝隙，3-中心铜探针，4-可重构缝隙开关电路，5-可重构功分开关电路，6-馈电微带线，7-开关直流偏置电路，8-金属地板，9-尼龙螺钉。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
实施例1
如图1和图2所示为基于惠更斯原理的波束可重构天线示意图。图中，1为天线上的介质谐振器、2为接地平面上蚀刻的缝隙、3为中心铜探针、4为可重构缝隙开关电路、6为馈电微带线、7为开关直流偏置电路、8为金属地板、9为尼龙螺钉。图2中，图2的（a）为俯视图，图2的（b）为侧视图，图2的（c）为前视图。
本实施例中，介质谐振器1，选用高介电常数的材料例如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等，其中掏空了五个圆柱体和一个长方体的孔，分别用于放置中心铜探针3和尼龙螺钉9，以及焊接可重构缝隙开关电路4；金属地板8上蚀刻的缝隙2，作为惠更斯源中的等效磁偶极子，激励起介质谐振器1的模式，同时使可重构缝隙开关电路4在其中实现；中心铜探针3，贯穿金属地板8上蚀刻的缝隙2和整个介质谐振器1，作为惠更斯源中的等效电偶极子，和可重构缝隙开关电路4相连；可重构缝隙开关电路4，其中包括了两个PIN二极管，两个PIN二极管用于连接中心铜探针3和金属地板8上蚀刻的缝隙2，分别沿着+x方向和-x方向放置，可重构缝隙开关电路4设置在金属地板8平面上，并通过金属化过孔与介质基板背面的开关直流偏置电路7相连；馈电微带线6，为50ohm微带线，印刷在介质基板的背面；开关直流偏置电路7，为缝隙处的开关提供直流偏置，印刷在介质基板的背面，与可重构缝隙开关电路4相连接；金属地板8材料为铜，敷在介质基板的上表面，安装在介质谐振器1的底部，其上蚀刻了一条矩形缝隙；尼龙螺钉9为标准制尼龙螺钉，布置在介质谐振器1和金属地板8的四周，共计四颗。
本实施例中，基于惠更斯原理的波束可重构天线如图1和图2所示，天线上有介质谐振器1，选用高介电常数低损耗的材料例如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等，由于其较高的介电常数，有效地减小了天线的尺寸，实现了天线小型化的设计，作为天线的辐射体，实现电磁信号的收发；金属地板8上蚀刻的缝隙2，其辐射特性可以等效为惠更斯源中的磁偶极子，缝隙2由介质基板底部的功分器提供馈电，接着再激励起介质谐振器1中的模式，缝隙2同时为可重构缝隙开关电路4提供设计空间；中心铜探针3，贯穿金属地板8上蚀刻的缝隙2和整个介质谐振器1，但不直接与缝隙2相连接，而是通过两个焊接在缝隙2和中心铜探针3之间的PIN二极管作为连接的桥梁；可重构缝隙开关电路4，包括了两个焊接在缝隙2和中心铜探针3之间的PIN二极管，用于实现XoZ平面上波束可重构的设计；当+x方向上的PIN二极管导通、-x方向上的PIN二极管截止时，中心铜探针3和+x方向上的半边缝隙2接通，于是中心铜探针3被激励起来，中心铜探针3和介质谐振器1同时产生辐射，它们的场在+x方向上反相相消，在-x方向上同相叠加，因此总的场在XoZ平面朝着-x轴方向偏转一定的角度；同理，当-x方向上的PIN二极管导通、+x方向上的PIN二极管截止时，中心铜探针3和-x方向上的半边缝隙2接通，中心铜探针3同样地被激励起来，然而不同的是，此时等效电偶极子辐射的场和前一种情况中等效电偶极子辐射的场是反相的，即意味着相长相消的方向恰好和前一种情况相反，两个分量场在-x方向上反相相消，在+x方向上同相叠加，因此，总的场在XoZ平面朝着+x轴方向偏转一定的角度；当+x方向和-x方向上的PIN二极管都截止时，中心铜探针3不与缝隙2相连，此时中心铜探针3没有被激励起，天线主要表现为介质谐振器1的辐射，因此总的场是指向+z方向的侧射波束，不会发生偏转；馈电微带线6，印刷在介质基板的背面，实现了对金属地板8上缝隙2的激励；开关直流偏置电路7，由直流控制线组成，实现了对缝隙2处开关的闭合/关断状态的控制；金属地板8，为铜材质，敷在介质基板的上表面，实现了参考地和天线的定向辐射；尼龙螺钉9，由直径3mm的公制尼龙螺钉组成，共计四颗，用作天线结构的支撑与固定。
本实施例中，图3、图4和图5为实施例1的三维辐射方向图：第一PIN二极管和第二PIN二极管分别接通时，波束分别朝着+x和-x方向发生偏转；若两个PIN二极管都不接通，则波束不发生偏转，是一个指向+z方向的侧射波束。天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性，因此它是方位角和俯仰角的函数。方向性是最大辐射功率和各向同性功率的比值，分贝是方向性数值的单位。将天线的方向性用三维图形表示（图3-图5），图3-图5中的方位角用phi表示，角度的单位为度。phi/度表示为：方位角，单位为度，图3-图5中的最大和最小分别表示：在各个方向中的最大值和最小值，图3中，最大为6.30，最小为-15.83，图4中，最大为6.72，最小为-14.16，图5中，最大为6.72，最小为-19.81，图3、图4和图5中， 0、120、以及-120均代表方位角phi的角度，用来显示此时的波束偏转到了方位角多少度的方向上，图5中，各个方位中，方向性最大的值是6.72，6.3表示phi=0的方向上，此时的方向性大小为6.3。
实施例2
如图6和图7所示为基于偏向激励特性的波束可重构天线，图中，1为天线上的介质谐振器、2为接地平面上蚀刻的缝隙、5为可重构功分开关电路、6为馈电微带线、7为开关直流偏置电路、8为金属地板、9为尼龙螺钉。图7中，图7的（a）为俯视图，图7的（b）为侧视图，图7的（c）为前视图。
本实施例中，介质谐振器1，选用高介电常数的材料例如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等，其中掏空了四个圆柱体，用于放置四颗尼龙螺钉9；金属地板8上蚀刻的缝隙2，由介质基板背面的T型功分馈电，紧贴于介质谐振器1的下方，用于激励起介质谐振器1的模式；可重构功分开关电路5，其中包括了两个PIN二极管，两个二极管用于连接T型功分器的左右两个分支，分别沿着+y方向和-y方向放置，可重构功分开关电路5设置在介质基板的背面，并与开关直流偏置电路7相连；馈电微带线6为50ohm微带线，印刷在介质基板的背面，实现了对金属地板8上缝隙2的激励；开关直流偏置电路7，为功分器上的开关提供直流偏置，印刷在介质基板的背面，与可重构功分开关电路5相连接；金属地板8材料为铜，敷在介质基板的上表面，安装在介质谐振器1的底部，其上蚀刻了一条矩形缝隙；尼龙螺钉9为标准制尼龙螺钉，布置在介质谐振器1和金属地板8的四周，共计四颗。
本实施例中，基于偏向激励特性的波束可重构天线如图4和图5所示，天线上有介质谐振器1，选用高介电常数低损耗的材料例如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等，由于其较高的介电常数，有效地减小了天线的尺寸，实现了天线小型化的设计，作为天线的辐射体，实现电磁信号的收发；金属地板8上蚀刻的缝隙2，其辐射特性可以等效为惠更斯源中的磁偶极子，缝隙2由介质基板底部的功分器提供馈电，接着再激励起介质谐振器1中的模式；可重构功分开关电路5包括了两个焊接在功分器分支处的PIN二极管，用于实现YoZ平面上波束可重构的设计；当+y方向上的PIN二极管导通、-y方向上的PIN二极管截止时，功分器与+y方向的分支相连，与-y方向的分支有一个小的缺口，此时功分器对缝隙2的馈电是不均匀的，明显沿着+y方向的馈电强度大、沿着-y方向的馈电强度小，导致了缝隙2的场主要集中在+y方向上，缝隙2再激励起介质谐振器1，由于缝隙2给介质谐振器1的激励是不均匀的（+y方向强，-y方向弱），因此介质谐振器1内部被激励起的辐射场同样分布不均匀，也是在+y方向上场的强度大、-y方向上场的强度小，因此天线辐射的波束在YoZ面上朝着+y轴偏转一定的角度；同理当-y方向上的PIN二极管导通、+y方向上的PIN二极管截止时，功分器与-y方向的分支相连，与+y方向的分支有一个小的缺口，此时功分器对缝隙的馈电沿着-y方向的强度大、沿着+y方向的强度小，导致了缝隙2的场主要集中在-y方向上，缝隙2再激励起介质谐振器1，介质谐振器1内部被激励起的辐射场也是在-y方向上的强度大、+y方向上的强度小，因此天线辐射的波束在YoZ面上朝着-y轴偏转一定的角度；馈电微带线6印刷在介质基板的背面，实现了对金属地板8上缝隙的激励；开关直流偏置电路7由直流控制线组成，实现了对功分上开关的闭合/关断状态的控制；金属地板8为铜材质，敷在介质基板的上表面，实现了参考地和天线的定向辐射；尼龙螺钉9由直径3mm的公制尼龙螺钉组成，共计四颗，用作天线结构的支撑与固定。
本实施例中，图8和图9为实施例2的三维辐射方向图：第三PIN二极管和第四PIN二极管分别接通时，波束分别朝着+y和-y方向发生偏转。天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性，因此它是方位角和俯仰角的函数。方向性是最大辐射功率和各向同性功率的比值，分贝是方向性数值的单位。将天线的方向性用三维图形表示（图8和图9所示），图8和图9中的方位角用phi表示，角度的单位为度。phi /度为方位角，单位为度，图8和图9中，最大和最小分别表示各个方向中的最大值和最小值，图8中，最大为7.09，最小为-23.59，图9中，最大为7.09，最小为-21.85，图8和图9中，0、120以及-120均代表方位角phi的角度，用来显示此时的波束偏转到了方位角多少度的方向上。
实施例3
如图10和图11所示，图10和图11所示为基于惠更斯原理和偏向激励特性的混合形式智能多波束天线。图11中，图11的（a）为俯视图，图11的（b）为侧视图，图11的（c）为前视图。本发明提供了一种混合形式的多波束天线，包括介质谐振器1、缝隙2、中心铜探针3、可重构缝隙开关电路4、可重构功分开关电路5、馈电微带线6、开关直流偏置电路7、金属地板8以及尼龙螺钉9；
所述介质谐振器1位于天线上，所述介质谐振器1中设置有五个圆柱体和一个长方体孔，所述中心铜探针3和尼龙螺钉9分别一一放置于圆柱体中，所述可重构缝隙开关电路4放置于长方体孔中，所述中心铜探针3贯穿于缝隙2和介质谐振器1，且不与缝隙2连接，所述缝隙2蚀刻在金属地板8上，所述中心铜探针3作为惠更斯源中的等效电偶极子，所述缝隙2作为惠更斯源中的等效磁偶极子，所述可重构缝隙开关电路4设置于金属地板8上，并分别与缝隙2、中心铜探针3以及开关直流偏置电路7连接，所述可重构功分开关电路5位于介质基板的背面，并与开关直流偏置电路7连接，所述馈电微带线6位于介质基板的背面，所述开关直流偏置电路7印刷于介质基板的背面，所述金属地板8敷于介质基板的上表面，且安装于介质谐振器1的底部，所述尼龙螺钉9位于介质谐振器1和金属地板8的四周。
所述缝隙2由位于介质基板底部的功分器提供馈电，并激励介质谐振器1中的模式，所述缝隙2为矩形缝隙。
所述可重构缝隙开关电路4通过金属化过孔与印刷于介质基板背面的开关直流偏置电路7连接。
所述可重构缝隙开关电路4包括第一PIN二极管和第二PIN二极管，第一PIN二极管和第二PIN二极管分别一一对应与缝隙2和中心铜探针3连接；第一PIN二极管和第二PIN二极管分别沿+x方向和-x方向放置。
所述可重构功分开关电路5包括两个放置于功分器分支处的第三PIN二极管和第四PIN二极管；第三PIN二极管和第四PIN二极管用于分别连接功分器的两个分支，并分别沿着+y方向和-y方向放置。
所述馈电微带线6对金属地板8上的缝隙2进行激励。
所述开关直流偏置电路7包括直流控制线，所述开关直流偏置电路7对缝隙2处的开关状态和功分器上的开关状态进行控制。
本实施例中，介质谐振器1，选用高介电常数的材料例如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等，其中掏空了五个圆柱体和一个长方体的孔，分别用于放置中心铜探针3、尼龙螺钉9和焊接可重构缝隙开关电路4；金属地板8上蚀刻的缝隙2，作为惠更斯源中的等效磁偶极子，激励起介质谐振器1的模式，同时使可重构缝隙开关电路4在其中实现；中心铜探针3，贯穿接地平面上蚀刻的缝隙2和整个介质谐振器1，作为惠更斯源中的等效电偶极子，与可重构缝隙开关电路4相连；可重构缝隙开关电路4，其中包括了两个PIN二极管（第一PIN二极管和第二PIN二极管），第一PIN二极管和第二PIN二极管用于一一对应连接中心铜探针3和金属地板8上蚀刻的缝隙2，分别沿着+x方向和-x方向放置，可重构缝隙开关电路4设置在金属地板8平面上，并通过金属化过孔与介质基板背面的开关直流偏置电路7相连；可重构功分开关电路5，其中包括了两个PIN二极管（第三PIN二极管和第四PIN二极管），第三PIN二极管和第四PIN二极管用于分别连接T型功分器的左右两个分支，分别沿着+y方向和-y方向放置，可重构功分开关电路5设置在介质基板的背面，并与开关直流偏置电路7相连；馈电微带线6，为50ohm微带线，印刷在介质基板的背面，实现了对金属地板8上缝隙2的激励；开关直流偏置电路7，为缝隙2处和功分器上的开关提供直流偏置，印刷在介质基板的背面，与可重构缝隙开关电路4和可重构功分开关电路5相连接；金属地板8，材料为铜，敷在介质基板的上表面，安装在介质谐振器1的底部，其上蚀刻了一条矩形缝隙；尼龙螺钉9，为标准制尼龙螺钉，布置在介质谐振器1和金属地板8的四周，共计四颗。
本实施例中，基于惠更斯原理和偏向激励特性的混合形式智能多波束天线如图10和图11所示，天线上有介质谐振器1，选用高介电常数低损耗的材料例如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等，由于其较高的介电常数，有效地减小了天线的尺寸，实现了天线小型化的设计，作为天线的辐射体，实现电磁信号的收发；金属地板8上蚀刻的缝隙2，其辐射特性可以等效为惠更斯源中的磁偶极子，缝隙2由介质基板底部的功分器提供馈电，接着再激励起介质谐振器1中的模式，缝隙2同时为可重构缝隙开关电路4提供设计空间；中心铜探针3，贯穿金属地板8上蚀刻的缝隙2和整个介质谐振器1，但不直接与缝隙2相连接，而是通过两个焊接在缝隙2和中心铜探针3之间的PIN二极管作为连接的桥梁；可重构缝隙开关电路4，包括了两个焊接在缝隙2和中心铜探针3之间的第一PIN二极管和第二PIN二极管，用于实现XoZ平面上波束可重构的设计；当+x方向上的第一PIN二极管导通、-x方向上的第二PIN二极管截止时，中心铜探针3和+x方向上的半边缝隙2接通，于是中心铜探针3被激励起来，中心铜探针3和介质谐振器1同时产生辐射，它们的场在+x方向上反相相消，在-x方向上同相叠加，因此总的场在XoZ平面朝着-x轴方向偏转一定的角度；同理当-x方向上的第二PIN二极管导通、+x方向上的第一PIN二极管截止时，中心铜探针3和-x方向上的半边缝隙2接通，中心铜探针3同样地被激励起来，然而不同的是，此时等效电偶极子辐射的场和前一种情况中等效电偶极子辐射的场是反相的，即意味着相长相消的方向恰好和前一种情况相反，两个分量场在-x方向上反相相消，在+x方向上同相叠加，因此总的场在XoZ平面朝着+x轴方向偏转一定的角度；当+x方向和-x方向上的PIN二极管都截止时，中心铜探针3不与缝隙2相连，此时中心铜探针3没有被激励起，天线主要表现为介质谐振器1的辐射，因此总的场是指向+z方向的侧射波束，不会发生偏转；可重构功分开关电路5，包括了两个放置在功分器分支开始处的第三PIN二极管和第四PIN二极管，用于分别连接+y方向上和-y方向上的两个枝节，从而实现YoZ平面上波束可重构的设计，此时中心铜探针3和金属地板8上缝隙2之间沿+x和-x方向的第三PIN二极管和第四PIN二极管都要截止，以保证此时电偶极子不被激励，只有磁偶极子（缝隙2被激励起），缝隙2再激励起介质谐振器1的模式；当+y方向上的第三PIN二极管导通、-y方向上的第四PIN二极管截止时，功分器与+y方向的分支相连，与-y方向的分支有一个小的缺口，此时功分器对缝隙2的馈电是不均匀的，明显沿着+y方向的馈电强度大、沿着-y方向的馈电强度小，导致了缝隙的场主要集中在+y方向上，缝隙2再激励起介质谐振器1，由于缝隙2给介质谐振器1的激励是不均匀的（+y方向强-y方向弱），因此介质谐振器1内部被激励起的辐射场同样分布不均匀，也是在+y方向上场的强度大、-y方向上场的强度小，因此天线辐射的波束在YoZ面上朝着+y轴偏转一定的角度；同理当-y方向上的第四PIN二极管导通、+y方向上的第三PIN二极管截止时，功分器与-y方向的分支相连，与+y方向的分支有一个小的缺口，此时功分器对缝隙2的馈电沿着-y方向的强度大、沿着+y方向的强度小，导致了缝隙2的场主要集中在-y方向上，缝隙2再激励起介质谐振器1，介质谐振器1内部被激励起的辐射场也是在-y方向上的强度大、+y方向上的强度小，因此天线辐射的波束在YoZ面上朝着-y轴偏转一定的角度；馈电微带线6，印刷在介质基板的背面，实现了对金属地板8上缝隙2的激励；开关直流偏置电路7，由直流控制线组成，实现了对缝隙2处开关和功分器上开关的闭合/关断状态的控制；金属地板8，为铜材质，敷在介质基板的上表面，实现了参考地和天线的定向辐射；尼龙螺钉9，由直径3mm的公制尼龙螺钉组成，共计四颗，用作天线结构的支撑与固定。
本实施例中，如图12所示，图中，纵坐标表示S参数/dB，横坐标表示频率/GHz，图12为天线在各个状态下的反射系数（即S参数），反射系数小于-10dB常作为衡量天线性能的一个标准。可以看到，不管在哪个状态下，所需的2.4-2.48GHz频段内，天线的反射系数均在-10dB以下，完美覆盖。状态1：天线向+z方向辐射时的反射系数，此时第三PIN二极管和第四PIN二极管均截止，第一PIN二极管和第二PIN二极管均导通。状态2：天线向+x方向辐射时的反射系数，此时第一PIN二极管、第三PIN二极管、第四PIN二极管均导通，第二PIN二极管截止。状态3：天线向-x方向辐射时的反射系数，此时第二PIN二极管、第三PIN二极管、第四PIN二极管均导通，第一PIN二极管截止。状态4：天线向+y方向辐射时的反射系数，此时第一PIN二极管、第二PIN二极管、第四PIN二极管均截止，第三PIN二极管导通。状态5：天线向-y方向辐射时的反射系数，此时第一PIN二极管、第二PIN二极管、第三PIN二极管均截止，第四PIN二极管导通。
本实施例中，图13、图14、图15、图16以及图17为实施例3在五种不同的波束偏转状态下，分别对应的反射系数。可以看到，不管是哪种状态，反射系数都完美覆盖了2.4-2.48GHz的WLAN频段。天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性，因此它是方位角和俯仰角的函数。方向性是最大辐射功率和各向同性功率的比值，分贝是方向性数值的单位。将天线的方向性用三维图形表示（图13、图14、图15、图16以及图17），图中的方位角用phi表示，角度的单位为度。phi / 度表示为方位角，单位是度，最大和最小分别表示在各个方向中的最大值和最小值。图13中，最大为5.72，最小为-17.49，图中，0、5.7、120以及-120均代表方位角phi的角度，用来显示此时的波束偏转到了方位角多少度的方向上，图14中，最大为5.81，最小为-16.64，图中，0、5.8、120以及-120均代表方位角phi的角度，用来显示此时的波束偏转到了方位角多少度的方向上，图15中，最大为5.82，最小为-19.95，图中，0、5.8、120以及-120均代表方位角phi的角度，用来显示此时的波束偏转到了方位角多少度的方向上，图16中，最大为5.78，最小为-18.53，图中，0、5.8、120以及-120均代表方位角phi的角度，用来显示此时的波束偏转到了方位角多少度的方向上，图17中，最大为5.83，最小为-15.58，图中，0、5.8、120以及-120均代表方位角phi的角度，用来显示此时的波束偏转到了方位角多少度的方向上。
本实施例中，本发明通过提出一种新型的基于惠更斯原理的波束可重构辐射结构，通过重构惠更斯源中等效电偶极子辐射场的相位，实现不同指向的磁电双分量场叠加，从而完成波束可重构的功能；本发明通过提出一种新型的基于偏向激励特性的波束可重构辐射结构，将功分馈电结构进行可重构设计从而对介质谐振器1产生不均匀的激励，使得介质谐振器1的辐射场呈现非平衡分布，从而完成波束可重构的功能；本发明通过提出一种新型的基于惠更斯原理和偏向激励特性的混合形式智能多波束辐射结构，首次将磁电偶极子的叠加场和偏向激励介质谐振器1的辐射场引入到同一个天线中，实现了线极化二维方向图可重构，可以在二维空间中获得至少五种不同波束的切换，能够适用于不同的多波束应用场景。
本实施例中，在天线设计中，本发明利用了中心铜探针3作为惠更斯源中的等效电偶极子，并在中心铜探针3和缝隙2之间用可重构缝隙开关电路4进行连接，引入了x方向上可重构的相位分布（同相和反相），从而实现XoZ平面上的波束可重构。其中，可重构缝隙开关电路4可为PIN二极管、变容管、MEMS开关器件以及射频开关等。
本实施例中，在天线设计中，利用了金属地板8上蚀刻的缝隙2作为惠更斯源中的等效磁偶极子，并用其激励起高介电常数材料的介质谐振器1的模式，将第三PIN二极管和第四PIN二极管放置在给缝隙2馈电的T型功分器分支处，引入了y方向上非平衡的场分布，从而实现YoZ平面上的波束可重构。其中，介质谐振器1材质可为高介电常数的陶瓷基或者低损耗基板等，样式可为正方体、圆柱体以及棱柱体等。
本实施例中，本发明提出的基于混合形式的智能多波束天线，在仅需要一个馈电端口和简单的馈电网络的前提下，通过控制开关直流偏置电路7的偏置电压，即在平面空间上实现五波束的切换，实现了低成本、设计难度低、成本低、高辐射效率的波束可重构，满足5G基站大规模部署的要求。
本实施例中，天线在两个平面上可以独立调控波束偏转情况，可以根据不同的应用场景，对波束指向进行灵活地调整，从而满足不同的sub 6GHz通信系统的应用需求。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种混合形式的多波束天线，其特征在于，包括介质谐振器（1）、缝隙（2）、中心铜探针（3）、可重构缝隙开关电路（4）、可重构功分开关电路（5）、馈电微带线（6）、开关直流偏置电路（7）、金属地板（8）以及尼龙螺钉（9）；
所述介质谐振器（1）位于天线上，所述介质谐振器（1）中设置有五个圆柱体和一个长方体孔，所述中心铜探针（3）和尼龙螺钉（9）分别一一放置于圆柱体中，所述可重构缝隙开关电路（4）放置于长方体孔中，所述中心铜探针（3）贯穿于缝隙（2）和介质谐振器（1），且不与缝隙（2）连接，所述缝隙（2）蚀刻在金属地板（8）上，所述中心铜探针（3）作为惠更斯源中的等效电偶极子，所述缝隙（2）作为惠更斯源中的等效磁偶极子，所述可重构缝隙开关电路（4）设置于金属地板（8）上，并分别与缝隙（2）、中心铜探针（3）以及开关直流偏置电路（7）连接，所述可重构功分开关电路（5）位于介质基板的背面，并与开关直流偏置电路（7）连接，所述馈电微带线（6）位于介质基板的背面，所述开关直流偏置电路（7）印刷于介质基板的背面，所述金属地板（8）敷于介质基板的上表面，且安装于介质谐振器（1）的底部，所述尼龙螺钉（9）位于介质谐振器（1）和金属地板（8）的四周；
所述可重构缝隙开关电路（4）包括第一PIN二极管和第二PIN二极管，第一PIN二极管和第二PIN二极管分别一一对应与缝隙（2）和中心铜探针（3）连接；第一PIN二极管和第二PIN二极管分别沿+x方向和-x方向放置；
所述可重构功分开关电路（5）包括两个放置于功分器分支处的第三PIN二极管和第四PIN二极管；第三PIN二极管和第四PIN二极管用于分别连接功分器的两个分支，并分别沿着+y方向和-y方向放置。
2.根据权利要求1所述的混合形式的多波束天线，其特征在于，所述缝隙（2）由位于介质基板底部的功分器提供馈电，并激励介质谐振器（1）中的模式，所述缝隙（2）为矩形缝隙。
3.根据权利要求1所述的混合形式的多波束天线，其特征在于，所述可重构缝隙开关电路（4）通过金属化过孔与印刷于介质基板背面的开关直流偏置电路（7）连接。
4.根据权利要求1所述的混合形式的多波束天线，其特征在于，所述馈电微带线（6）对金属地板（8）上的缝隙（2）进行激励。
5.根据权利要求1所述的混合形式的多波束天线，其特征在于，所述开关直流偏置电路（7）包括直流控制线，所述开关直流偏置电路（7）对缝隙（2）处的开关状态和功分器上的开关状态进行控制。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108390153A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-08-10 | 南通大学 | 宽带可重构介质谐振器天线 |
| CN113300090A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-24 | 南通大学 | 一种差分馈电的方向图可重构介质贴片天线 |
| CN114156648A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-08 | 电子科技大学 | 小型化混合超材料方向图可重构天线及多波束阵列天线 |
| CN114156661A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-08 | 微网优联科技(成都)有限公司 | 小型化多波束可重构天线及平面相控阵列天线 |
| CN114498054A (zh) * | 2022-02-15 | 2022-05-13 | 微网优联科技(成都)有限公司 | 方向图可重构相位比特天线及其二维波束扫描阵列 |
| CN115084873A (zh) * | 2022-03-08 | 2022-09-20 | 电子科技大学 | 一种基于电磁超材料的双极化1比特天线及数字比特阵列 |
| CN115296028A (zh) * | 2022-08-12 | 2022-11-04 | 电子科技大学 | 一种水平面360度波束连续扫描天线 |
| CN115995686A (zh) * | 2023-03-03 | 2023-04-21 | 成都频岢微电子有限公司 | 一种辐射特性数字调控的天线 |
| CN117594969A (zh) * | 2024-01-19 | 2024-02-23 | 微网优联科技(成都)有限公司 | 一种新型谐振器结构及方向图可重构天线 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090322619A1 (en) * | 2008-06-26 | 2009-12-31 | Jani Petri Juhani Ollikainen | Performance improvement of antennas |
| US8912957B2 (en) * | 2011-12-12 | 2014-12-16 | Qualcomm Incorporated | Reconfigurable millimeter wave multibeam antenna array |
| FR3039711B1 (fr) * | 2015-07-28 | 2017-12-29 | Commissariat Energie Atomique | Cellule elementaire d'un reseau transmetteur pour une antenne reconfigurable. |
-
2024
- 2024-03-26 CN CN202410348094.5A patent/CN117954845B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108390153A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-08-10 | 南通大学 | 宽带可重构介质谐振器天线 |
| CN113300090A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-24 | 南通大学 | 一种差分馈电的方向图可重构介质贴片天线 |
| CN114156648A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-08 | 电子科技大学 | 小型化混合超材料方向图可重构天线及多波束阵列天线 |
| CN114156661A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-08 | 微网优联科技(成都)有限公司 | 小型化多波束可重构天线及平面相控阵列天线 |
| CN114498054A (zh) * | 2022-02-15 | 2022-05-13 | 微网优联科技(成都)有限公司 | 方向图可重构相位比特天线及其二维波束扫描阵列 |
| CN115084873A (zh) * | 2022-03-08 | 2022-09-20 | 电子科技大学 | 一种基于电磁超材料的双极化1比特天线及数字比特阵列 |
| CN115296028A (zh) * | 2022-08-12 | 2022-11-04 | 电子科技大学 | 一种水平面360度波束连续扫描天线 |
| CN115995686A (zh) * | 2023-03-03 | 2023-04-21 | 成都频岢微电子有限公司 | 一种辐射特性数字调控的天线 |
| CN117594969A (zh) * | 2024-01-19 | 2024-02-23 | 微网优联科技(成都)有限公司 | 一种新型谐振器结构及方向图可重构天线 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A Broadband Multi-beam Array Antenna Based on Programmable Elements;Hongbo Chu 等;《2023 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium (ACES-China)》;20230922;全文 * |
| 基于介质谐振器的动态可重构基站天线研究;刘琪;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20220115;全文 * |
| 用于天线辐射调控的超表面研究与设计;徐庆宇;《万方学位论文》;20220816;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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