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CN110783701B - 一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线 - Google Patents

一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线，包括第一介质基板、第二介质基板、可调移相功分器、接地金属板、主辐射片和寄生辐射片，第一介质基板的上表面印制有可调移相功分器和环形的主辐射片，第一介质基板的下表面印制有接地金属板；第二介质基板为圆柱体，其上表面印制有寄生辐射片；可调移相功分器与主辐射片连接；第一介质基板与第二介质基板相离并通过多个绝缘螺柱固定。本发明提供的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线具有以下有益效果：(1)在同一天线口径下实现了左旋圆极化和右旋圆极化特性，具有圆极化可重构功能；(2)切换速度快、插入损耗小并且控制简单；(3)易于加工和制作、成本低廉。

Description

一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线。
背景技术
天线是无线通信系统中的重要组成部件，负责电磁能量的收发与转换，随着现代无线通信技术的快速发展，对天线性能的要求也越来越高。相比于线极化天线，圆极化天线具有旋转正交性，对反射波信号的抑制度高，同时还能够接收到任意线极化的电磁波信号，因而广泛应用于射频识别、无线局域网以及卫星导航定位等无线通信系统。
为了满足无线通信系统的多功能、小型化和集成化和的发展要求，需要采用可重构天线技术，在共用的天线辐射口径上实现多种工作状态的切换。可重构圆极化天线是将圆极化天线与可重构天线技术相结合，在同一副天线上实现左旋圆和右旋圆的极化特性转换，以达到增加频率复用、消除多径衰落效应和提高频谱利用率的作用。
可重构圆极化天线通常采用机械、光学以及电子等方式调节天线的工作状态，其中机械方式是利用作动器等执行机构对天线的形状和结构等进行调节，调节范围较大，然而需要额外的机械装置，同时难以满足高速度和高精度的要求。光学方式是通过控制光导开关的通断状态改变天线表面的电流分布，响应速度快且易于控制，但是光导开关插损较大导致天线效率降低。电子方式是利用PIN二极管、变容二极管以及射频芯片等电调器件的调谐或开关特性，调节天线的辐射片结构、馈电点位置或馈电网络输出相位关系，调节灵活且速度快、精度高、损耗小，但是通常所需的电调器件数量较多，导致天线加工制作困难。
发明内容
发明目的：针对上述背景技术的所述的现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线，采用电子调节方式实现左旋圆极化或右旋圆极化电磁波的接收和发射，并且简化天线的馈电结构(本申请的馈电结构即为可调移相功分器)，降低加工制作的难度和成本。
技术方案：一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线，包括第一介质基板、第二介质基板、可调移相功分器、接地金属板、主辐射片和寄生辐射片，其中：
所述第一介质基板的上表面印制有可调移相功分器和环形的主辐射片，所述第一介质基板的下表面印制有与其完全重合的接地金属板；
所述第二介质基板为一个圆柱体，其上表面印制有与其上表面完全重合的寄生辐射片；
所述可调移相功分器与所述主辐射片连接；
所述第一介质基板与所述第二介质基板相离并通过多个绝缘螺柱固定。
进一步地，所述可调移相功分器包括四段微带线和四个射频开关，用于产生具有相等幅度和可调相位差的两路输出信号，并将输出信号馈入所述主辐射片，其中：
四段微带线分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线，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。
更进一步地，第一微带线的特性阻抗为100欧姆，且首尾两端产生弯折并分别与主辐射片相连进行馈电，第一微带线的首尾两端的弯折所在的两直线的夹角为90°；第二微带线、第三微带线和第四微带线的特性阻抗均为50欧姆，
第一微带线和第二微带线的连接处、第一微带线和第三微带线的连接处、第二微带线和第四微带线的连接处、第三微带线和第四微带线的连接处均蚀刻有一个开口，其中：
第一微带线和第二微带线的连接处的开口设置第一射频开关；
第一微带线和第三微带线的连接处的开口设置第二射频开关；
第二微带线和第四微带线的连接处的开口设置第三射频开关；
第三微带线和第四微带线的连接处的开口设置第四射频开关。
更进一步地，第二微带线和第三微带线为L型微带线，大小形状一致并且关于主辐射片的圆环中心呈镜像对称，第四微带线为矩形微带线。
更进一步地，第一射频开关和第三射频开关组成一组，第二射频开关和第四射频开关组成一组，通过控制每组射频开关的通断，可以控制可调移相功分器的两路输出信号的相位差为90°或-90°。
更进一步地，第一射频开关和第二射频开关之间的距离为16.6mm。
更进一步地，第一射频开关、第二射频开关、第三射频开关、第四射频开关均为PIN二极管开关。
进一步地，所述第一介质基板与所述第二介质基板的间距为5mm。
本发明提供的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线具有以下有益效果：
(1)本发明在同一天线口径下实现了左旋圆极化和右旋圆极化特性，具有圆极化可重构功能；
(2)本发明形成不同圆极化所需的馈电相位差是由可调移相功分器产生，产生不同的圆极化状态时，只需改变可调移相功分器中射频开关的通断状态，切换速度快、插入损耗小并且控制简单；
(3)本发明中的可调移相功分器和辐射片(即主辐射片和寄生辐射片)结构简单，整个天线可以基于印刷电路板技术实现，易于加工和制作、成本低廉。
附图说明
图1是本发明公开的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线的三维结构示意图；
图2是本发明公开的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线的俯视图；
图3是本发明公开的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线的反射系数曲线仿真结果；
图4是本发明公开的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线的轴比曲线仿真结果；
图5a是本发明公开的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线在2.45GHz工作时，在左旋圆极化状态时的xoz面仿真辐射方向图；
图5b是本发明公开的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线在2.45GHz工作时，在左旋圆极化状态时yoz面的仿真辐射方向图；
图6a是本发明公开的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线在2.45GHz工作时，在右旋圆极化状态时xoz面的仿真辐射方向图；
图6b是本发明公开的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线在2.45GHz工作时，在右旋圆极化状态时yoz面的仿真辐射方向图。
其中：
Figure BDA0002214385570000051
Figure BDA0002214385570000061
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式详细说明。
如图1和图2所示，一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线，包括第一介质基板1、第二介质基板2、可调移相功分器3、接地金属板4、主辐射片5和寄生辐射片6，其中：
第一介质基板1采用相对介电常数为3.5、厚度为1mm、长度和宽度均为70mm的长方体介质材料，所述第一介质基板1的上表面印制有可调移相功分器3和环形的主辐射片5(内径为8.9mm，外径为14.2mm。)，所述第一介质基板1的下表面印制有与其完全重合的接地金属板4；
第二介质基板2采用相对介电常数为4.4、厚度为0.8mm的圆柱形介质材料，其半径为26.9mm，第二介质基板2的上表面印制有与其上表面完全重合的寄生辐射片6；
所述可调移相功分器3与所述主辐射片5连接；
所述第一介质基板1与所述第二介质基板2相离并通过多个螺柱固定。
进一步地，所述可调移相功分器3包括四段微带线和四个射频开关，用于产生具有相等幅度和可调相位差的两路输出信号，并将输出信号馈入所述主辐射片5，其中：
四段微带线分别为第一微带线11、第二微带线12、第三微带线13和第四微带线14，四个射频开关分别为第一射频开关21、第二射频开关22、第三射频开关23和第四射频开关24。
更进一步地，第一微带线11的特性阻抗为100欧姆，且首尾两端产生弯折并分别与主辐射片5相连进行馈电，第一微带线11的首尾两端的弯折所在的两直线的夹角为90°；第二微带线12、第三微带线13和第四微带线14的特性阻抗均为50欧姆，
第一微带线11和第二微带线12的连接处、第一微带线11和第三微带线13的连接处、第二微带线12和第四微带线14的连接处、第三微带线13和第四微带线14的连接处均蚀刻有一个开口，其中：
第一微带线11和第二微带线12的连接处的开口设置第一射频开关21；
第一微带线11和第三微带线13的连接处的开口设置第二射频开关22；
第二微带线12和第四微带线14的连接处的开口设置第三射频开关23；
第三微带线13和第四微带线14的连接处的开口设置第四射频开关24。
进一步地，第二微带线12和第三微带线13为L型微带线，大小形状一致并且关于主辐射片5的圆环中心呈镜像对称，第四微带线14为矩形微带线。
更进一步地，第一射频开关21和第三射频开关23组成一组，第二射频开关22和第四射频开关24组成一组，通过控制每组射频开关的通断，可以控制可调移相功分器3的两路输出信号的相位差为90°或-90°。
当第一射频开关21和第三射频开关23断开，第二射频开关22和第四射频开关24导通时，可调移相功分器3的左路和右路输出信号的幅度相等，且左路馈电相位减去右路馈电相位所产生的相位差为-90°，使得天线实现左旋圆极化特性；当第一射频开关21和第三射频开关23导通，第二射频开关22和第四射频开关24断开时，可调移相功分器3的左路和右路输出信号的幅度相等，且左路馈电相位减去右路馈电相位产生的相位差为90°，使得天线实现右旋圆极化特性。通过改变射频开关的通断状态可以实现左旋圆极化和右旋圆极化特性的切换。
更进一步地，第一射频开关21和第二射频开关22之间的距离为16.6mm，约等于λg/4(λg为2.45GHz对应的工作波长)。
更进一步地，第一射频开关21、第二射频开关22、第三射频开关23、第四射频开关24均为PIN二极管开关。
进一步地，，所述第一介质基板1与所述第二介质基板2的间距为5mm(即第二介质基板2位于第一介质基板1上方高度为5mm的同一水平面上)。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
如图3和图4所示，当工作在左旋圆极化及右旋圆极化状态时，实施例中天线在2.29GHz～2.61GHz频率范围内的反射系数小于-10dB，并且在2.35GHz～2.58GHz频率范围内的轴比小于3dB。
如图5a、图5b、图6a和图6b所示，当工作在左旋圆极化状态时，实施例中天线在2.45GHz的辐射方向图中的最大增益可达7.92dBi；当工作在右旋圆极化状态时，实施例中天线在2.45GHz的辐射方向图中的最大增益可达7.88dBi。在以上两种状态下，天线同时还具有较低的交叉极化和较高的前后比。
上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线，其特征在于，包括第一介质基板、第二介质基板、可调移相功分器、接地金属板、主辐射片和寄生辐射片，其中：
所述第一介质基板的上表面印制有可调移相功分器和环形的主辐射片，所述第一介质基板的下表面印制有与其完全重合的接地金属板；
所述第二介质基板为一个圆柱体，其上表面印制有与其上表面完全重合的寄生辐射片；
所述可调移相功分器与所述主辐射片连接；
所述第一介质基板与所述第二介质基板相离并通过多个绝缘螺柱固定，其中：
所述可调移相功分器包括四段微带线和四个射频开关，用于产生具有相等幅度和可调相位差的两路输出信号，并将输出信号馈入所述主辐射片，其中：
四段微带线分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线，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；
第一微带线的特性阻抗为100欧姆，且首尾两端产生弯折并分别与主辐射片相连进行馈电，第一微带线的首尾两端的弯折所在的两直线的夹角为90°；第二微带线、第三微带线和第四微带线的特性阻抗均为50欧姆；
第一微带线和第二微带线的连接处、第一微带线和第三微带线的连接处、第二微带线和第四微带线的连接处、第三微带线和第四微带线的连接处均蚀刻有一个开口，其中：
第一微带线和第二微带线的连接处的开口设置第一射频开关；
第一微带线和第三微带线的连接处的开口设置第二射频开关；
第二微带线和第四微带线的连接处的开口设置第三射频开关；
第三微带线和第四微带线的连接处的开口设置第四射频开关。
2.如权利要求1所述的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线，其特征在于，第二微带线和第三微带线为L型微带线，大小形状一致并且关于主辐射片的圆环中心呈镜像对称，第四微带线为矩形微带线。
3.如权利要求1所述的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线，其特征在于，第一射频开关和第三射频开关组成一组，第二射频开关和第四射频开关组成一组，通过控制每组射频开关的通断，可以控制可调移相功分器的两路输出信号的相位差为90°或-90°。
4.如权利要求3所述的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线，其特征在于，第一射频开关和第二射频开关之间的距离为16.6mm。
5.如权利要求1所述的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线，其特征在于，第一射频开关、第二射频开关、第三射频开关、第四射频开关均为PIN二极管开关。
6.如权利要求1所述的一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线，其特征在于，所述第一介质基板与所述第二介质基板的间距为5mm。
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