CN103618150A - 一种波束方向可切换天线 - Google Patents

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王秉中
丁霄
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Abstract

该发明公开了一种波束方向可切换天线，是由正六边形的底面及印制有辐射体的与底面成一定夹角的六块梯形侧面构成的“蝶形”天线，在馈电点的周围等角度连接着六个隔直电容，各隔直电容分别向外依次连接PIN二极管、金属馈线、准八木天线；上述隔直电容与PIN二极管的共节点引出一条高阻抗金属线，两相邻共节点引出的金属线与同一电感相连，该电感另一端由介质基板的金属化通孔连接至金属贴片地板；金属馈线侧面引出一电感，电感的另一端连接一降压电阻。5V直流控制信号源通过控制PIN二极管的通断实现六个波束状态之间的切换，从而达到天线辐射覆盖整个上半空间、增加工作带宽、屏蔽对下半空间的辐射的目的。

Description

一种波束方向可切换天线
技术领域
本发明属于电子技术领域，特别涉及带有PIN二极管开关的波束方向可切换的天线。
背景技术
由于越来越多的信息内容需要传输，现代通信***对无线通信中的信息传输速率要求也越来越高，但是由于多径衰落的存在，数据传输速率随着信号传输距离的增加而减小。大量研究表明，恰当使用可切换波束的天线是一条解决此问题的途径。可切换波束天线能根据通信环境的变化实时改变发射和接收天线的波束方向，从而有效减弱噪声干扰，对抗多径衰落，提高信息传输速率。在车载、机载或者天线下方具有其他射频电路等应用场景下，天线应该避免辐射向下半空间，以减少对于其它微波电路的干扰。
文献“Compact Switched-Beam Antenna Employing a Four-Element Slot Antenna Arrayfor Digital Home Applications（利用四元缝隙天线阵组成的紧凑波束可切换天线及其在数字家庭中的应用）”《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》[J].Sept.2008:2929–2936，Ming-Iu Lai，Tzung-YuWu，Jung-ChinHsieh，et al.设计了一种四角开槽的正方形波束方可切换天线（如图1）。该天线由绝缘介质基板及印制在其下方的金属地板、印制在绝缘介质基板上表面的控制电路、在金属地板四角开设的四个“L”形槽的发射体组成，馈电点位于天线正中心，采用同轴馈线从背面对天线进行馈电，馈电点四周焊接四个二极管，每个二极管的另一端都焊接在一端馈线上，馈线的另一端延伸至地板“L”形槽的上方，另外，该天线还设计了含二极管开关的直流偏置电路，通过切换开关，天线可以实现八种波束指向并覆盖天线地板所在平面，但由于发射体辐射角度的限制，该天线不能覆盖其正上方的部分圆锥形空间；由于该天线采用的是地板槽作为发射体，而槽天线固有的特性使其工作频带较窄，此天线的工作频带为100MHz，不能满足宽带通信的要求；另外，该天线的四个辐射槽均位于金属地板上，将对天线的上方和下方同时辐射能量，由于该天线采用的是背馈方式，信号处理模块位于天线的下方，天线对下半空间的辐射将会使信号处理模块等其他射频电路产生干扰甚至烧坏电路。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计出一种波束方向可切换天线，该天线利用位于本体上六组含控制电路及准八木天线的单元天线，并通过控制电路中六个PIN二极管开关的通断实现六个不同方向波束之间的切换，从而达到天线发射波束覆盖其上半空间、屏蔽对下半空间的辐射、增加工作带宽的目的。
本发明解决方案是采用正六边形绝缘介质基板底面及与其成相同夹角的六块梯形绝缘介质基板侧面围成的“碟形”天线本体代替背景技术中的正方形平板天线本体，从而使天线辐射能覆盖上半空间且屏蔽对下半空间的辐射；同时将准八木天线分设于各梯形绝缘介质基板上作为发射体、以代替背景技术中设于地板上的“L”形槽形发射体，从而增加天线的工作频带宽度。本发明在“碟形”天线本体中正六边形绝缘介质基板中心设置馈电点，在绝缘介质基板的下表面设置一金属地板、并将其上表面等分为以馈电点为中心的六个三角形区域；在每个三角形区域内的基板表面上分别设一控制电路，而在与对应于各三角形区域连接的梯形绝缘介质基板上分别设置一准八木天线，该准八木天线与对应三角形区域内的控制电路通过导线连接，控制电路同时通过隔直电容与馈电点连接、通过接地电感与金属地板连接，从而分别组成相对独立的单元天线；工作时分别通过控制单元天线中PIN二极管开关的通断实现各单元天线的转换。因而本发明波束方向可切换天线包括：天线本体、位于本体上的控制电路及发射体、同轴馈线，其特征在于：天线本体为正六边形绝缘介质基板底面及与其成相同夹角的六块梯形绝缘介质基板侧面围成的“碟形”天线本体，正六边形绝缘介质基板下表面设置一金属地板，上表面中心位置设置一馈电点，并将其上表面等分为以馈电点为中心的六个三角形区域；在每个三角形区域内的基板表面上分别设一控制电路，而在与对应于各三角形区域连接的梯形绝缘介质基板上分别设一发射体，该发射体采用准八木天线，该准八木天线与对应三角形区域内的控制电路通过导线连接，控制电路同时通过隔直电容与馈电点连接，从而分别组成相对独立的单元天线；同轴馈线由金属地板下方对天线馈电，其外导体与金属地板连接，内导体穿过金属地板与正六边形绝缘介质基板上表面的馈电点连接。
所述波束方向可切换天线，其中各单元天线中控制电路由馈电点到准八木天线依次设置隔直电容、PIN二极管、导线；隔直电容与PIN二极管共接点处通过一接地电感与金属地板连接，相邻单元天线使用同一接地电感，导线上另外设置一条依次连接电感和电阻的支路。
各梯形绝缘介质基板与六边形绝缘介质基板的夹角为120°～150°。
每个准八木天线由两个金属贴片振子和三个金属引向贴片组成，两个金属贴片振子分别印制在梯形绝缘介质基板的上表面和下表面且位于导线的两侧，下表面金属贴片振子通过导线与金属地板相连，三个金属引向贴片等距离均匀印制在梯形绝缘介质基板的上表面，位于金属贴片振子的外侧。
本发明由天线本体、位于本体上的控制电路及准八木天线构成的“碟形”天线，通过分别控制电路中六个PIN二极管开关的通断实现六个波束状态之间的切换，从而该天线具有辐射覆盖上半空间、屏蔽对下半空间辐射、增加工作带宽的效果。
附图说明
图1为背景技术四角开槽的正方形天线的结构示意图；
图2为本发明一种波束方向可切换天线的俯视结构示意图；
图3为本发明一种波束方向可切换天线的侧面结构示意图；
图4为本发明一种波束方向可切换天线的回波损耗仿真图；
图5为本发明一种波束方向可切换天线的一个工作模式在5.4GHz的仿真方向图；
其中图5-1是天线的一个工作模式在5.4GHz的3D仿真方向图，图5-2是天线的一个工作模式在5.4GHz的YOZ面仿真方向图，图5-3是天线的一个工作模式在5.4GHz的XOY面仿真方向图。
图中：1.PIN二极管，2.降压电阻，3.电感，4.金属地板5.隔直电容，6.第二段片状导线，7.梯形绝缘介质基板上表面金属贴片振子，8.梯形绝缘介质基板下表面金属贴片振子，9.第一金属引向贴片，10.第二金属引向贴片，11.第三金属引向贴片，12.同轴馈线，13.梯形绝缘介质基板，14.六边形绝缘介质基板，15.第一段片状导线，16.高阻抗金属线，17.中心金属贴片。
具体实施方式
梯形绝缘介质基板13和正六边形绝缘介质基板14为相对介电常数2.65、厚度0.8mm的聚四氟乙烯，正六边形绝缘介质基板14的边长为32mm，梯形绝缘介质基板13的上下底分别为32mm和60mm，梯形绝缘介质基板13和正六边形绝缘介质基板14成120°角；金属地板4及绝缘介质基板上方的金属贴片都是厚度为0.07mm的铜箔，金属地板4的边长为32mm；同轴馈线12的特性阻抗为50Ω。中心正六边形金属贴片17的边长为3mm，第一段片状导线15的尺寸为4.4*19.5mm2；第二段片状导线6的尺寸为8*0.7mm2；高阻抗金属线16的尺寸为11*0.4mm2。电感3的值为1mH；降压电阻2的阻值为2.2kΩ；隔直电容5的值为10pF。金属焊片尺寸均为2*2mm2。梯形绝缘介质基板上表面金属贴片振子7和梯形绝缘介质基板下表面金属贴片振子8的尺寸均为12.2*1.8mm2；第一个金属引向贴片9的尺寸为15.4*2mm2；第二个金属引向贴片10的尺寸为14*2mm2；第三个金属引向贴片11的尺寸为11.7*2mm2；金属贴片振子7与第一金属引向贴片9距离为2mm、相邻各金属引向贴片之间间隔为2mm。
将5V直流控制信号源的负极连接在金属地板4上，正极连接在降压电阻2的一端，利用直流控制信号源控制PIN二极管1的通断，当二极管的其中一个导通而其他的均截止时，即为一种天线工作模式，此天线阵共有六种工作模式，每种工作模式对应一个波束指向。由于天线结构对称，六种工作模式下的回波损耗相同，仿真结果如图4所示,天线的工作频段为5.13GHz-5.55GHz；天线的其中一种工作模式的仿真方向图如图5所示。六种模式的主瓣指向在上半空间均匀分布，图5-2显示,该模式在Phi=90°面的方向图主瓣指向为Theta=40°，3dB波瓣范围为90°—-45°，图5-3显示，Theta=90°面（地板所在平面）的3dB波瓣宽度为56.2°，除金属地板所在平面存在很小范围的盲点外（每种模式具有3.8°的盲点），切换六种模式可以覆盖上半空间而不会对下半空间产生辐射。该实施例的仿真结果显示此天线可以在上半空间进行全向扫描。

Claims (4)

1.一种波束方向可切换天线包括：天线本体、位于本体上的控制电路及发射体、同轴馈线，其特征在于：天线本体为正六边形绝缘介质基板底面及与其成相同夹角的六块梯形绝缘介质基板侧面围成的“碟形”天线本体，正六边形绝缘介质基板下表面设置一金属地板，上表面中心位置设置一馈电点，并将其上表面等分为以馈电点为中心的六个三角形区域；在每个三角形区域内的基板表面上分别设一控制电路，而在与对应于各三角形区域连接的梯形绝缘介质基板上分别设置一准八木天线，该准八木天线与对应三角形区域内的控制电路通过导线连接，控制电路同时通过隔直电容与馈电点连接，从而分别组成相对独立的单元天线；同轴馈线由金属地板下方对天线馈电，其外导体与金属地板连接，内导体穿过金属地板与正六边形绝缘介质基板上表面的馈电点连接。
2.如权利要求1所述波束方向可切换天线，其特征在于：各单元天线中控制电路由馈电点到准八木天线依次设置隔直电容、PIN二极管、导线；隔直电容与PIN二极管共接点处通过一接地电感与金属地板连接，相邻单元天线使用同一接地电感，导线上另外设置一条依次连接电感和电阻的支路。
3.如权利要求1所述波束方向可切换天线，其特征在于：各梯形绝缘介质基板与六边形绝缘介质基板的夹角为120°～150°。
4.如权利要求1所述波束方向可切换天线，其特征在于：每个准八木天线由两个金属贴片振子和三个金属引向贴片组成，两个金属贴片振子分别印制在梯形绝缘介质基板的上表面和下表面且位于导线的两侧，下表面金属贴片振子通过导线与金属地板相连，三个金属引向贴片等距离均匀印制在梯形绝缘介质基板的上表面，且位于金属贴片振子的外侧。
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