CN102013559A - 波束扫描阵列天线 - Google Patents

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黄伟基
郭景丽
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Abstract

本发明公开了一种波束扫描阵列天线，主要解决现有无源波束扫描天线结构复杂、使用电抗元件加载和加工成本高的问题。整个天线包括：微带等功率分配馈电网络(12)，振子单元(15)，馈电微带延长线(16)和二极管开关控制电路(14)。其中，微带等功率分配馈电网络(12)采用十字交叉结构，馈电点通过垂直探针(18)位于十字交叉点，实现等功率分配馈电；天线振子单元(15)固定在每条馈电微带线的一端；馈电微带延长线(16)上连接有二极管开关控制电路(14)，控制馈电微带延长线与介质板(10)背面的地板之间的通与断，实现四个不同方向的宽波束扫描。本发明具有结构简单，加工成本低，波束扫描功能容易实现的优点，可应用于无线通信***的移动终端。

Description

波束扫描阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别是一种波束扫描阵列天线，可应用于无线通信***的移动终端。
背景技术
随着近几年国内外的智能天线研究火热，大多数的研究是针对基站用智能天线进行的。因为基站所用的智能天线安装在移动通信的基站上，其体积受到的限制比较小，因而天线的一些机械参数，例如阵元个数，阵形安排，阵元间距及阵元尺寸等，都可以在较宽松的范围内进行设计，较易使天线达到预期的性能指标。而移动终端用智能天线的设计则相对非常困难，比如一些移动终端的便携性限制了其体积，也就同时限制了天线的许多机械参数，阵元个数不能过多，阵元间距不能过大，阵形也受到一定限制，这就同时限制了天线的增益，指向等性能。
国内外针对移动终端用智能天线所作的研究中，较突出的是日本ATR研究所研究的电激励单端口天线ESPAR。该天线是通过电抗加载来控制方向图主瓣指向的天线称为电控无源阵列天线，主要由一个馈电辐射振子和围绕其周围的寄生振子组成，即为7单元λ/4单极子的六边形阵，均匀分布在以中心振子为圆心，半径为λ/4的圆周上并固定在有限尺寸的金属地板上，通过改变加载在寄生振子末端的电抗值，包括电容和电感控制天线的辐射方向图的主瓣指向，形成对准目标的波束和对准干扰的零点，实现波束扫描。参见“Seven-Element Ground Skirt Monopole ESPAR Antenna Design From a Genetic Algorithm and the Finite Element Method，”IEEE Trans.Antennas Propag.，vol.51，no.4，pp.3033-3038，November 2003。这种天线由于实际加工比较复杂，并且各个振子的加载电抗值随频率的改变而改变，特别在频率高端一些未知的状况，例如电抗特性的跳变等会影响到天线的性能和波束扫描；此外，由于寄生振子的存在，使得位于中心的有源阵子阻抗失配且难以单纯通过调整天线结构或尺寸获得匹配。
申请号为：200580016384.5的切换多波束天线装置，公开了在天线组件中使用公用反射器，通过开关控制周围单极子的馈电，从而实现多波束扫描功能，然而这对于公用反射器的结构，尺寸提出了要求，增加了天线的加工难度及成本。又如申请号为：01801254.X的方向性切换装置，公开了发射振子采用折叠型及寄生振子加载电抗元件的方式，尽管采用折叠型发射振子可以实现良好的阻抗匹配，但寄生振子仍需要加载电抗元件，这给天线的实际加工仍带来一定的困难，并且由于频率较高时电抗元件的不稳定性，将影响到天线的性能及波束的切换。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种无需电抗元件加载，无需公用反射器的无源波束扫描阵列天线的组件，以简化天线结构，降低加工成本，在不影响天线性能的前提下增强波束切换的可控性和稳定性。
本发明的设计思路是：以微带形式的等功率分配馈电网络为基本框架，将具有不同工作状态组合的振子单元，等效电感加载及二极管开关控制电路结合在一起，利用二极管的开关特性，实现天线的波束切换。其整个波束扫描阵列天线包括：振子单元和介质板，介质板的一面设有微带馈电网络，另一面作为地板，其特征在于微带馈电网络采用十字交叉结构，馈电点位于十字交叉点，实现等功率分配馈电；每个馈电微带线的一端固定一个振子单元；每个馈电微带线的延长线上连接有控制电路，控制馈电微带延长线与地板之间的通与断。
所述的微带馈电网络的每一条微带馈线的特性阻抗为70.7欧姆；微带馈电网络中的每一条微带馈线长度Fl为四分之一波长，与微带馈电延长线的长度Ll之比为8∶1，以保证天线结构的对称性；
所述的天线振子单元为金属圆柱单极子，高度为四分之一波长，与介质板垂直连接；控制电路由开关二极管，扼流电感，隔直电容组成，该开关二极管的正极经过隔直电容与微带馈电延长线连接，同时与扼流电感相连，该开关二极管的负极与介质板背面的地板连接，该二极管导通时，馈电微带延长线与介质板背面的地板连通，该二极管截止时，馈电微带延长线与介质板背面的地板断开；
所述的微带馈电延长线与介质板背面地板相连接，微带馈电延长线作为加载电感，等效为振子的长度延长，使振子成为反向器；固定在十字交叉形微带馈线上的振子单元，以每两个相邻振子单元为一组，分别作为天线的主辐射体和寄生体，通过控制二极管开关的导通与截止改变振子单元的不同工作状态，实现四个不同方向的宽波束扫描；
本发明与现有的无源波束扫描天线相比有以下优点：
由于本发明采用的是十字交叉结构的微带等功率分配网络，可以向固定在每一条微带馈线末端的各个振子单元直接馈电，天线结构中无需中心激励振子单元，也不需要公用反射器结构，简化了天线结构，降低了加工成本。
由于本发明利用开关二极管的特性，可以主动控制天线结构中各个振子单元的工作状态为辐射振子或者反射振子，天线波束扫描更容易实现。
由于本发明采用了将馈电微带延长线作为等效电感加载，寄生振子单元无需电抗元件加载，天线波束扫描功能更加稳定。
附图说明
图1是根据本发明具体实施例的天线三维结构立体图。
图2是根据本发明具体实施例的天线俯视图。
图3是根据本发明具体实施例的天线主视图。
图4示出了本发明中开关二极管控制电路的具体效果图。
图5示出了本发明中开关二极管控制电路的原理图。
图6示出了对于图4中开关二极管(143)导通时，图1中天线振子单元(15)长度等效延长的效果图。
图7示出了根据本发明具体实施例的波束覆盖及扫描的效果图。
图8是根据本发明具体实施例的天线电压驻波比的仿真曲线图。
图9是根据本发明具体实施例的天线增益仿真曲线图。
图10是根据本发明具体实施例的天线水平面辐射方向图的仿真结果图。
具体实施方式
本发明的一个具体实施例是工作频段为无线通信***2.4GHz，可实现90°波束扫描的阵列天线。
参照图1、图2和图3，本发明主要由微带等功率分配馈电部分，天线振子单元，等效电感加载部分以及二极管开关控制电路部分组成。其中，
馈电部分，包括微带线形式的一分二等功率分配馈电网络12，焊盘13，介质板10，SMA接头11，垂直探针18，其中，等功率分配馈电网络采用十字交叉结构刻蚀在一个半径为Gr，厚度为sh的Rogers RT/duroid 5880介质板10的上表面，馈电点通过垂直探针18位于十字交叉点，介质板10背面作为天线***的地板，每一条微带馈线的特性阻抗为70.7欧姆，其长度Fl为四分之一波长，每一条微带馈线末端引出焊盘13，垂直探针18下端穿过介质板10连接于SMA接头11。
天线振子单元15，采用铜质材料的金属圆柱棒结构，该金属圆柱棒垂直于介质板10与焊盘13相连，焊盘13位于每一条四分之一波长微带馈线的末端，金属圆柱棒的直径为Md，其高度Mh为四分之一波长，以保证天线在工作频段2.4GHz谐振，电压驻波比VSWR维持在≤2.0∶1的较低水平。
电感加载部分，每一条微带馈线末端经过焊盘13引出微带馈电延长线16作为等效加载电感，该延长线16与每一条微带馈线的长度之比为8∶1，图6示出的是当开关二极管143导通时，微带馈电延长线16经过短路线146与介质板10背面的地板连通，此时微带馈电延长线16作为等效加载电感17，即等效于延长了振子单元15的长度，使该振子成为反射振子19，起到反向器的作用。
二极管开关控制电路部分，如图4和图5所示，它是由隔直电容141，扼流电感142，开关二极管143组成，开关二极管143的正极经过隔直电容141与微带馈电延长线16连接，同时与扼流电感142相连，该开关二极管的负极与介质板10背面的地板连接。外界输入电压VDC通过引线145导入，当外界输入电压VDC≥二级管的导通电压UD(on)时，开关二极管143处于导通状态，馈电微带延长线16与介质板10背面的地板经过短路线146连通；当外界输入电压VDC小于二级管的导通电压UD(on)时，开关二极管143处于截止状态，馈电微带延长线16与介质板10背面的地板断开。在本发明的实施例中，开关二极管143选取Avago HMPP/HSMP-389x/4820，隔直电容141和扼流电感142选取C＝68pF的0805贴片电容和L＝100nH的0805贴片电感，但不限于这些。
参照图7，利用对本发明进行波束扫描控制的操作说明如下，
当相邻振子单元15-1和振子单元15-2为辐射振子，且相邻振子单元15-3和振子单元15-4为反射振子时，形成90°宽波束201；当相邻振子单元15-2和振子单元15-3为辐射振子，且相邻振子单元15-4和振子单元15-1为反射振子，此时形成90°宽波束202；当相邻振子单元15-3和振子单元15-4为辐射振子，且相邻振子单元15-1和振子单元15-2为反射振子，此时形成90°宽波束203；当相邻振子单元15-4和振子单元15-1为辐射振子，且相邻振子单元15-2和振子单元15-3为反射振子，此时形成90°宽波束204，至此完成90°宽波束的一次完整扫描，并实现四个不同方向的宽波束扫描，扫描波束的起始方向由所控制的不同位置振子单元的工作状态决定。
本发明的效果通过以下仿真结果说明：
仿真环境：使用商业软件HFSS对本发明天线进行建模和仿真计算。
仿真内容：设置相邻振子单元15-1和振子单元15-2为辐射振子，且相邻振子单元15-3和振子单元15-4为反射振子时，观察本发明天线在无线通信***2.3GHz至2.55GHz的电压驻波比，水平面方向图最大辐射方向增益水平和水平面方向图的波束宽度及指向。
仿真结果：如图8所示，在2.3GHz至2.55GHz频段，该频段包括无线通信***2.4GHz，本发明天线的电压驻波比≤2.0∶1，且天线在2.4GHz谐振，说明天线在该频段内辐射性能稳定。如图9所示，本发明天线在2.3GHz至2.55GHz频段水平面方向图最大辐射方向增益为5.5dBi。如图10所示，本发明天线水平面方向图最大辐射方向在φ＝45°以及半功率波束宽度为90°。
以上仅是本发明的一个具体实例，不够成对本发明的任何限制，显然在本发明的思想下，可以做出不同的改换，但这些都在本发明的保护之列。

Claims (7)

1.一种波束扫描阵列天线，包括振子单元和介质板，介质板的一面设有微带馈电网络，另一面作为地板，其特征在于微带馈电网络(12)采用十字交叉结构，馈电点通过垂直探针(18)位于十字交叉点，实现等功率分配馈电；每条馈电微带线的一端固定一个振子单元(15)；每条馈电微带线的延长线(16)上连接有控制电路(14)，控制馈电微带延长线与地板(11)之间的通与断。
2.如权利要求1所述的波束扫描阵列天线，其特征在于微带馈电网络的每一条微带馈线的特性阻抗为70.7欧姆。
3.如权利要求1所述的波束扫描阵列天线，其特征在于微带馈电网络中的每一条微带馈线长度Fl为四分之一波长，与微带馈电延长线的长度Ll之比为8∶1，以保证天线结构的对称性。
4.如权利要求1所述的波束扫描阵列天线，其特征在于天线振子单元(15)为金属圆柱棒，高度为四分之一波长，与介质板(10)垂直连接。
5.如权利要求1所述的波束扫描阵列天线，其特征在于控制电路(14)由开关二极管(143)，扼流电感(142)，隔直电容(141)组成，该开关二极管的正极经过隔直电容(141)与微带馈电延长线(16)连接，同时与扼流电感(142)相连，该开关二极管的负极与介质板(10)背面的地板连接，该二极管导通时，馈电微带延长线与介质板背面的地板连通，该二极管截止时，馈电微带延长线与介质板背面的地板断开。
6.如权利要求1所述的波束扫描阵列天线，其特征在于微带馈电延长线与介质板背面地板相连接，微带馈电延长线(16)作为加载电感，等效为振子的长度延长，使振子成为反向器。
7.如权利要求1所述的波束扫描阵列天线，其特征在于固定在十字交叉形微带馈线上的振子单元，以每两个相邻振子单元为一组，分别作为天线的主辐射体和寄生体，通过控制二极管开关的导通与截止改变振子单元的工作状态，实现四个不同方向的宽波束扫描。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20110413