CN114243279B - 一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线，包括介质基板、金属地板、上下层馈电圆片、上下层辐射贴片、上下层方形焊盘、上下层PIN二极管、直流铜柱、顶层金属片、底层金属片、同轴馈线，双层馈电圆片分别位于介质基板两面，上下层辐射贴片均为7组且等角度分布于上下层馈电圆片的周边，上下层辐射贴片与馈电圆片之间设置PIN二极管，顶层金属片位于介质基板上方，由金属连接柱与上层馈电圆片连接，下层金属片位于介质基板下方，直接焊接在同轴馈线外皮。通过控制PIN的通断，可实现7种线极化可重构；通过特殊的辐射层形状设计及双层金属片加载，能极大拓展工作带宽。该天线具有体积小、频带宽、极化可重构数目多等特点。

Description

一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线及其设计方法。

背景技术

随着信息科技的不断进步，无线通信技术迎来了迅猛发展。现代无线通信技术所需的器件需要具备高速率、宽频带、抗干扰性能强等特点，而这些技术要求对于通信链路质量提升的作用，已经在过去几十年的各方面应用中得到充分印证。作为无线信息***的关键器件，天线的工作性能直接影响着整个***的性能。天线需要根据特定的需求，为实现某种特定功能设计，结构和性能相对比较固定，可变化的空间小，无法适应现代无线***的各种工作环境及工作需要。在某些需要多种功能的场景，例如软件定义无线电，它可以工作在不同的频率和极化状态。使用各种协议，以最大限度地提高功率传输，减少极化失配损失，并抑制多径衰落损失，而传统的固定结构的设计无法用一个天线实现多个功能。

作为一种新型天线，其本质上是通过改变天线结构或者改变馈电结构来改变天线表面的电流分布，进而使天线工作在不同的模式，实现极化方向、工作频率、辐射方向图等一种或多种方式的可重构。随着各种无线通信设备的广泛使用，外界电磁波对通信设备的干扰影响逐步变大，因此极化可重构天线受到了广泛的关注。极化可重构天线可以降低多径衰落损耗、提高信号传输性能、避免极化失配、降低其他***的干扰，通过极化分集实现左旋圆极化、右旋圆极化、线极化等各种极化状态的切换，实现不同场景下的极化适配，极大地降低干扰。

多线极化可重构天线是一类可在多个不同方向线极化之间切换的天线。由于线极化和圆极化之间总是存在50％的极化失配损耗，在接收各种方向的线极化来波时，多线极化可重构天线可以很好地解决单一极化天线之间的极化失配问题。可实现的线极化数目越多，就能在实际应用中拥有更多的极化选择，因而在极化调制、抗多径衰减等方面具有巨大的优势。因此，近年来，多线极化可重构天线受到了广泛的关注。从目前已发表的文献和已公开的专利来看，极化可重构天线的研究多集中在左右旋圆极化可切换和线极化与圆极化可切换的天线，能实现多线极化天线的结构，线极化数目也不超过4个，多线极化可重构天线在近些年才刚起步，但发展势头迅猛。

中国发明专利(CN212011260U)提出了一种基于交叉偶极子和寄生单元的宽带极化可重构天线，通过特殊的3/4馈电方环实现了宽带性能，但只实现了两种圆极化与一种线极化的切换，无法实现多线极化可重构。

中国发明专利(CN106229668A)提出了一种宽带极化可重构基站天线，通过两组交叉分布的振子实现了两个线极化及两个圆极化的状态切换，但其馈电网络部分为威尔金森功分器，结构较为复杂，且线极化数目不足以适应复杂的通信环境。

葛磊博士等人在文献“A New Quadri-Polarization Reconfigurable CircularPatch Antenna，IEEE Access,vol.4,pp.4646-4651,2016.doi:10.1109/ACCESS.2016.2600250”中设计了可重构馈电网络，实现了一款四极化的可重构天线，但极化数目较少，且仅有2.5％的带宽，不具备宽带特性。

中国发明专利(CN108963449A)提出了一种集成人工磁导体的多线极化可重构天线及其设计方法，虽然实现了多线极化特性，但每种极化状态下的工作带宽仅为20％，带宽相对较窄，无法满足多频带多功能的应用需求。

综上所述，设计具有宽带性能的多线极化可重构天线具有重要的研究和应用价值。

发明内容

为了克服上述背景技术中现有技术存在的线极化数目受限与带宽较窄的问题，本发明提供一种金属片加载的宽带极化可重构天线，采用旋转对称的多线极化可重构天线单元，在一副天线上通过对PIN二极管的控制实现7个不同方向的线极化可重构，并结合双层金属片加载有效拓展其带宽。本设计整体结构为旋转对称结构，能保证在各个极化方向的方向图形状、增益、效率等性能的一致性，因此该天线也适用于组阵分析。

本发明采用如下技术方案：一种双层金属片加载的宽带极化可重构天线，包括，介质基板、金属地板、上层馈电圆片、上层辐射贴片、上层贴片电感、上层方形焊盘、上层PIN二极管、下层馈电圆片、下层辐射贴片、下层贴片电感、下层方形焊盘、下层PIN二极管、直流铜柱、顶层金属片、底层金属片、上层连接柱、同轴馈线；所述双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线的上层辐射贴片为7组且圆周等角度分布于上层馈电圆片的周边，上层辐射贴片的头部与上层馈电圆片之间由PIN二极管连接；下层辐射贴片为7组且圆周等角度分布于上层馈电圆片的周边，下层辐射贴片的头部与下层馈电圆片之间由PIN二极管连接；上层辐射贴片的尾部与上层方形焊盘由上层贴片电感连接，下层辐射贴片的尾部与下层方形焊盘由下层贴片电感连接；直流铜柱垂直分布于上层方形焊盘与下层方形焊盘的下端并焊接紧密。

优选的，所述顶层金属片为圆柱形，材质为铁，厚度为0.127mm,位于介质基板的上方，且顶层金属片与介质基板之间由一根上层连接柱连接。

优选的，所述底层金属片为圆柱形，位于介质基板与金属地板之间，材质为铁，厚度为0.127mm，直接与同轴馈线的外导体相连。

优选的，所述介质基板、金属地板、上层馈电圆片、下层馈电圆片、顶层金属片、底层金属片、上层连接柱与同轴馈线均为圆形或圆柱形，上层辐射贴片、上层贴片电感、上层方形焊盘、上层PIN二极管、下层辐射贴片、下层贴片电感、下层方形焊盘与下层PIN二极管均为7组大小与形状相同、型号相同的结构，且都沿z轴中心对称排布，所述的一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线具有完全旋转对称分布的特点。

优选的，所述上层馈电圆片、上层辐射贴片、上层方形焊盘均蚀刻在介质基板的正面，所述下层馈电圆片、下层辐射贴片、下层方形焊盘均蚀刻在介质基板的背面。

优选的，所述同轴馈线的处在整体结构的中心轴位置，外导体与下层馈电圆片焊接，同轴馈线的内导体贯穿介质基板与上层馈电圆片焊接，构成差分馈电。

优选的，所述同轴馈线馈入的信号包括射频信号及0V直流信号。

优选的，所述上层辐射贴片与下层辐射贴片均为7组中部开槽结构，形状为台灯形，构成宽带辐射振子。

优选的，所述直流铜柱穿过介质基板与金属地板，在金属地板下方与直流电源相连。

优选的，所述上层辐射贴片与下层辐射贴片蚀刻在基板的正反两面且有交叠部分，所述各个上层辐射贴片头部留有较小的缝隙，所述各个下层辐射贴片头部留有较小的缝隙。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.该天线通过加载两层金属片结构，极大拓展了工作带宽，在多线极化可重构性能的基础上具备了宽带特性；

2.该天线通过设计“台灯形”的偶极子结构，对天线阻抗进行了较好的调控，且上下部分的偶极子有较大面积的交叠，利用耦合效应提升了天线的工作带宽；

3.该天线辐射体部分为旋转对称结构，实现了7个不同方向的线极化，且利于进一步扩展极化数目。

4.该天线工作于X波段，半径仅为6mm(0.48λ_h)，能用于不产生栅瓣的大规模组阵。

附图说明

图1为本发明实施例的三维结构示意图；

图2、图3均为本发明实施例部分结构的俯视图；

图4为本发明实施例的侧视图；

图5为本发明实施例所用二极管在通断状态下的等效电路图；

图6为本发明实施例的回波损耗随频率变化曲线；

图7为本发明实施例的阻抗随频率变化曲线；

图8为本发明实施例在8GHz的E面、H面的主极化与交叉极化方向图；

图9为本发明实施例在9GHz的E面、H面的主极化与交叉极化方向图；

图10为本发明实施例在10GHz的E面、H面的主极化与交叉极化方向图；

图11为本发明实施例在11GHz的E面、H面的主极化与交叉极化方向图；

图12为本发明实施例在12GHz的E面、H面的主极化与交叉极化方向图；

图13为本发明实施例在13GHz的E面、H面的主极化与交叉极化方向图；

图14为本发明实施例在14GHz的E面、H面的主极化与交叉极化方向图；

图15为本发明实施例工作频带内的各频点最大增益随频率变化曲线图。

具体实施方式

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种金属片加载的宽带极化可重构天线，包括，介质基板1、金属地板2、上层馈电圆片3、上层辐射贴片4、上层贴片电感5、上层方形焊盘6、上层PIN二极管7、下层馈电圆片8、下层辐射贴片9、下层贴片电感10、下层方形焊盘11、下层PIN二极管12、直流铜柱13、顶层金属片14、底层金属片15、上层连接柱16、同轴馈线17。直流铜柱13垂直分布于上层方形焊盘6与下层方形焊盘9的下端并焊接紧密。

如图2所示，上层辐射贴片4为7组且圆周等角度分布于上层馈电圆片3的周边，上层辐射贴片4的头部与上层馈电圆片3之间由PIN二极管7连接，上层辐射贴片4的尾部与上层方形焊盘6由上层贴片电感5连接。

如图3所示，下层辐射贴片9为7组且圆周等角度分布于上层馈电圆片8的周边，下层辐射贴片9的头部与下层馈电圆片8之间由下层PIN二极管12连接，下层辐射贴片9的尾部与下层方形焊盘11由下层贴片电感10连接。

进一步地，由图2、图3，介质基板1上下两面俯视图，可以看出上层辐射贴片4与下层辐射贴片9蚀刻在介质基板1的正反两面且有交叠部分，各个上层辐射贴片4头部留有较小的缝隙，各个下层辐射贴片9头部留有较小的缝隙。上层辐射贴片4与下层辐射贴片9均为7组中部开槽结构，形状为台灯形，构成宽带辐射振子。在图2中标注了7个极化方向，按“#0-#7”的方式进行编号。

上层振子辐射贴片4、下层振子辐射贴片9的尺寸参数为：

L1＝4.30mm,W1＝0.73mm,W2＝1.85mm,S1＝1.00mm,S2＝0.35mm。上层方形焊盘6与下层方形焊盘9的边长为0.4mm。所用上层贴片电感5与下层贴片电感10起着通直流阻交流的作用，长度为0.6mm,宽度为0.3mm，电感值L＝39nH。

进一步地，由图2、图3可见，介质基板1、金属地板2、上层馈电圆片3、下层馈电圆片8、顶层金属片14、底层金属片15、上层连接柱16与同轴馈线17均为圆形或圆柱形；上层辐射贴片4、上层贴片电感5、上层方形焊盘6、上层PIN二极管7、下层辐射贴片9、下层贴片电感10、下层方形焊盘11与下层PIN二极管12均为7组大小与形状相同、型号相同的结构，且都沿z轴中心对称排布，所述的一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线具有完全的旋转对称分布。

如图4所示，顶层金属片14为圆形，材质为铁，厚度为T1＝0.127mm,半径R1＝1mm，位于介质基板的上方，且顶层金属片14与介质基板1之间由一根上层连接柱16连接，连接柱半径R2＝0.1mm，高度为3.5mm，材料为铁。底层金属片15为圆柱形，位于介质基板1与金属地板2之间，材质为铁，厚度为T3＝0.127mm，半径R3＝1mm，直接与同轴馈线17的外导体相连。介质基板1的半径为R4＝6mm，金属地板2的半径为R5＝16mm，介质基板1与金属地板2的距离为8mm。上层馈电圆片3、上层辐射贴片4、上层方形焊盘6均蚀刻在介质基板的正面，所述下层馈电圆片8、下层辐射贴片9、下层方形焊盘11均蚀刻在介质基板的背面。

如图5所示，所述PIN二极管为开关二极管，型号为MA4AGP907，长度为P1＝0.66mm，宽度为P2＝0.35mm。

同轴馈线17，内导体半径为0.12mm，外导体半径为0.4mm，处在整体结构的中心轴位置，外导体与下层馈电圆片8焊接，同轴馈线17的内导体贯穿介质基板1与上层馈电圆片3焊接，构成差分馈电。同轴馈线17馈入的信号包括射频信号及0V直流信号。直流铜柱13共有14根，均匀排布于介质基板1的边缘，穿过介质基板1与金属地板2，在金属地板2下方与直流电源相连。在图示中未给出直流电源，直流电源布置在下层介质基板2之后，在本例中采用1.5V电池即可。

在本实施例工作时，首先通过直流电源和Bias T选择导通一组PIN二极管，从而能够激励一对上层振子辐射贴片401、下层振子辐射贴片901工作。若要改变极化方向，只需要接通不同的PIN二极管即可。由此实现电控多线极化可重构的功能。

基于上述，在HFSS中建模仿真，得到结果如图6-15所示。由于本例结构具有旋转对称性，因此只需个给出1个极化方向的仿真结果即可。由图6可得出结论，本实施例提供的一种双层金属片加载的宽带极化可重构天线阻抗带宽为58％，覆盖了7.76-14.13GHz的频带，具有宽带特性。

由图8-14工作频带内各频点的方向图可以看出，在各频点出的天线方向图主极化形状基本保持不变，具有单向辐射的特性；交叉极化远低于主极化，具有良好的线极化特性。

由图15工作频带内最大实际增益随频率变化的曲线可以看出，全频带内增益在2-6dBi范围内，说明该天线具有良好的定向辐射特性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线，其特征在于，包括，介质基板(1)、金属地板(2)、上层馈电圆片(3)、上层辐射贴片(4)、上层贴片电感(5)、上层方形焊盘(6)、上层PIN二极管(7)、下层馈电圆片(8)、下层辐射贴片(9)、下层贴片电感(10)、下层方形焊盘(11)、下层PIN二极管(12)、直流铜柱(13)、顶层金属片(14)、底层金属片(15)、上层连接柱(16)、同轴馈线(17)；所述双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线的上层辐射贴片(4)为7组且圆周等角度分布于上层馈电圆片(3)的周边，上层辐射贴片(4)的头部与上层馈电圆片(3)之间由PIN二极管(7)连接；下层辐射贴片(9)为7组且圆周等角度分布于上层馈电圆片(8)的周边，下层辐射贴片(9)的头部与下层馈电圆片(8)之间由PIN二极管(12)连接；上层辐射贴片(4)的尾部与上层方形焊盘(6)由上层贴片电感(5)连接，下层辐射贴片(9)的尾部与下层方形焊盘(11)由下层贴片电感(10)连接；直流铜柱(13)垂直分布于上层方形焊盘(6)与下层方形焊盘(9)的下端并焊接紧密；

所述顶层金属片(14)为圆柱形，位于介质基板(1)的上方，且顶层金属片(14)与介质基板(1)之间由一根上层连接柱(16)连接；

底层金属片(15)为圆柱形，位于介质基板(1)与金属地板(2)之间，直接与同轴馈线(17)的外导体相连；

所述上层辐射贴片(4)与下层辐射贴片(9)均为7组中部开槽结构，形状为台灯形，构成宽带辐射振子；

所述上层辐射贴片(4)与下层辐射贴片(9)蚀刻在基板的正反两面且有交叠部分，所述各个上层辐射贴片(4)头部留有较小的缝隙，所述各个下层辐射贴片(9)头部留有较小的缝隙。

2.根据权利要求1所述的一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线，其特征在于：所述介质基板(1)、金属地板(2)、上层馈电圆片(3)、下层馈电圆片(8)、顶层金属片(14)、底层金属片(15)、上层连接柱(16)与同轴馈线(17)均为圆形或圆柱形，上层辐射贴片(4)、上层贴片电感(5)、上层方形焊盘(6)、上层PIN二极管(7)、下层辐射贴片(9)、下层贴片电感(10)、下层方形焊盘(11)与下层PIN二极管(12)均为7组大小与形状相同、型号相同的结构，且都沿z轴中心对称排布，所述的一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线具有完全旋转对称分布的特性。

3.根据权利要求1所述的一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线，其特征在于：所述上层馈电圆片(3)、上层辐射贴片(4)、上层方形焊盘(6)均蚀刻在介质基板(1)的正面，所述下层馈电圆片(8)、下层辐射贴片(9)、下层方形焊盘(11)均蚀刻在介质基板(1)的背面。

4.根据权利要求1所述的一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线，其特征在于：所述同轴馈线(17)处在整体结构的中心轴位置，外导体与下层馈电圆片(8)焊接，同轴馈线(17)的内导体贯穿介质基板(1)与上层馈电圆片(3)焊接。

5.根据权利要求1所述的一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线，其特征在于：所述同轴馈线(17)馈入的信号包括射频信号及0V直流信号。

6.根据权利要求1所述的一种双层金属片加载的宽带多线极化可重构天线，其特征在于：所述直流铜柱(13)穿过介质基板(1)与金属地板(2)，在金属地板(2)下方与直流电源相连。

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