CN109390699B - 一种基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线，包括一个“E”字形的主辐射贴片和左右各一个寄生贴片。本发明通过采用CSRR结构减小了寄生贴片的电长度，有利于寄生贴片的小型化。通过给CSRR结构上加载的PIN二极管提供不同数值的直流偏置电压，可使单个寄生单元分别工作在引向器和反射器两个状态；左右寄生单元不同状态的组合，可以使天线辐射波束主瓣方向在0°、‑30°和30°之间离散地切换，实现天线的波束可控性能，有效拓宽了天线的波束扫描范围。本发明通过采用同轴馈电的“E”字形主辐射贴片和引入两层介质板间的空气层结构，有效增加了天线的工作带宽，具有高增益、高前后比、低剖面的优良性能。
Description
技术领域
本发明涉及无线移动通信领域的天线研究领域，特别涉及一种基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线。
背景技术
波束可控天线在固定的频段内有波束可重构的特性，可以扩大传送信号的覆盖范围，提高5G MIMO天线的扫描能力，是非常有研究意义的一项课题。因此在过去几年里，研究人员提出了大量的波束可控天线，这些天线主要使用了以下几种方法来实现波束可重构的特性——新材料技术、可重构馈电网络、可重构的电磁超表面、控制寄生元件和激励辐射体不同工作模式等。
其中，使用新材料技术可以很容易的通过改变材料的形状来进行波束控制，但所需的费用高，重构速度较慢；利用可重构馈电网络实现波束可重构天线，比如巴特勒矩阵，具有低损耗、宽频带的优点，但是需要激励超过两个辐射单元；使用可重构的电磁超表面可以达到高增益的要求，但是所需的空间大，制作费用高，结构复杂，往往要激励数十个元件；利用控制辐射体形状的方式来控制波束可以缩小天线的体积，但是这种天线的工作带宽很窄，同时还需要额外的馈电网络来激励不同的馈电端口，实现波束扫描；通过重构主辐射体周围的寄生单元构成的波束可控天线需要的元件非常多，在文献《X.Ding,Y.F.Cheng,W.Shao,H.Li,B.Z.Wang and D.E.Anagnostou,“A wide-angle scanning planar phasedarray with pattern reconfigurable magnetic current element,”IEEETrans.Antennas Propag.,vol.65,no.3,pp.1434-1439,Mar.2017.》中提出了一种需要更少元件的可控波束天线，但这种类型的天线往往需要更高的剖面或者需要使用金属外壳。在文献《M.Li,S.Q.Xiao,Z.Wang and B.Z.Wang,“Compact surface-wave assisted beam-steerable antenna based on HIS,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.62,no.7,pp.3511-3519,Jul.2014.》中也提到了一种通过重构贴片周围的微带线来减少所需的元件数量的方式，但该天线的工作带宽较低，低于4％。
发明内容
本发明提出了一种利用CSRR(complementary split-ring resonator,互补型开口谐振环)来控制波束的小型贴片天线，以解决传统方向图可重构天线存在的倾斜角度和扫描范围小、带宽窄、所需寄生单元数量过多、结构复杂、体积较大等问题。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线，在上层介质板上表面放置一个主辐射贴片和左右两个寄生贴片，下层介质板下表面附着有一层金属地板，金属地板上蚀刻两个对应着上方寄生贴片的CSRR结构；每个寄生贴片与对应金属地板上加载的CSRR结构一起构成一寄生单元；主辐射贴片由同轴电缆馈电，同轴电缆的内芯与主辐射贴片相连，外导体与金属地板相连；上层介质板与下层介质板之间间隔一定距离，相互平行。本发明中，寄生单元中采用CSRR结构，等效成LC并联谐振回路，可以降低寄生贴片的谐振频率，可以减小寄生单元的尺寸，进而减小天线的体积。上下层介质板之间的空气层的电容效应也有效拓宽了天线的工作带宽。
优选的，两个寄生单元在引向器和反射器两个状态间转换以实现功能复用，当两个寄生单元都是引向器时，天线处于向+z方向辐射的状态Ⅰ；当左边寄生单元为引向器，右边为反射器时，天线处于向-x方向辐射的状态Ⅱ，反之则为状态Ⅲ。两个工作状态的结合，可使天线在不增加引向器数量和体积的情况下增大主瓣的倾斜角和波束扫描范围，拓宽有效工作频段。实现了寄生单元的复用和组合使用。寄生单元之间不同的组合使天线辐射波束主瓣方向在0°、-30°和30°之间离散地切换，实现天线的波束可控性能，有效拓宽了波束扫描覆盖范围。
优选的，每个CSRR结构的缝隙中有一个用于实现寄生单元状态切换的PIN二极管，PIN二极管的阴极与金属地板相连，阳极和CSRR结构中央的贴片相连，同时阳极通过一个直流连接探针与上层介质板上表面的寄生贴片相连，PIN二极管的导通与截止是通过给PIN二极管的阳极提供偏置电压实现。
更进一步的，对两个PIN二极管的阳极分别提供偏置电压V1和V2，对应的控制电压是高电平时PIN二极管导通使寄生单元工作在引向器状态，低电平时PIN二极管截止则为反射器状态。从而使寄生单元在引向器和反射器两个状态间转换。
更进一步的，每个CSRR结构的缝隙中都放置了一个用于实现直流隔离并保持RF电流的连续性的第一电容器。
优选的，每个寄生贴片都通过一个电感元件与一个第一直流焊盘相接，以防止RF电流从寄生贴片流向金属地板，实现RF电流的隔离。
更进一步的，在金属地板对应于上方第一直流焊盘位置处设有第二直流焊盘，该第二直流焊盘通过一个第二电容器与金属地板相连，该第二电容器用于保持金属地板上RF电流的连续性。
优选的，所述主辐射贴片采用“E”字形主辐射贴片，贴片由一个长方形的贴片去掉两个开放式的缝隙构成。在原先传统方向贴片的单谐振模式基础上引入了新的谐振模式，增加了天线的工作带宽。
优选的，上层介质板、下层介质板用若干根尼龙柱来固定。
优选的，上层介质板、下层介质板之间间隔5mm。空气层间隔所等效的电容效应很大程度上加宽了天线的工作带宽，相比于以往少于4％的工作带宽，本发明天线有8.8％的工作带宽。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明由寄生贴片对应地板上加载CSRR结构构成寄生单元。加载CSRR结构所等效成的LC并联谐振回路可以有效减小寄生单元的尺寸，从而减小天线的体积。
2、本发明在CSRR缝隙中放置PIN二极管，通过简单的控制电路可以使寄生单元分别工作在引向器和反向器两个状态。
3、本发明中寄生单元不同状态的组合使天线辐射波束的主瓣在三个方向之间离散地切换，实现天线的波束可控性能，有效拓宽了天线的波束扫描范围；寄生单元的功能复用也使天线所需的引向器数量减少；引向器和反射器两个工作状态的结合，使天线波束主瓣的倾斜角增大，有效工作频段变宽。
4、本发明中主贴片选用了“E”字形贴片，同时在两个介质板之间设置5mm左右的空气层间隔，有效拓宽了工作带宽。
5、本发明中贴片天线具有高增益、低剖面的优良性能。
6、本发明中使用较少的电容器保证了天线中RF电流的连续性和直流隔离。
7、本发明中电感元件的使用实现了RF电流的隔离。
8、本发明贴片天线无需占据大空间和较多元器件来实现要求，降低了结构的复杂度，电路结构简单，频带较宽，大小紧凑，增益高，低剖面，使用元件少，前后比数值大，主瓣倾角大。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线的侧视图；
图2是本发明实施例提供的贴片天线的俯视图；
图2(a)是本发明实施例提供的贴片天线的下层介质板和金属地板示意图；
图3是本发明一个实施例提供的工作在三种状态的反射系数S11-频率的仿真和测试结果图：图3(a)状态Ⅰ；图3(b)状态Ⅱ；图3(c)状态Ⅲ；
图4是本发明一个实施例提供的基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线在三种状态下3.4GHz处的仿真3D辐射方向图：图4(a)仿真时天线摆放位置示意图，图4(b)状态Ⅰ；图4(c)状态Ⅱ；图4(d)状态Ⅲ；
图5是本发明一个实施例提供的基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线在状态I、II和III下分别在(a)3.3GHz、(b)3.4GHz、(c)3.5GHz处的共极化和交叉极化的归一化仿真辐射方向图；
图6是本发明一个实施例提供的基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线分别在状态I、II和III下分别在(a)3.3GHz、(b)3.4GHz、(c)3.5GHz处的共极化和交叉极化的归一化测试辐射方向图；
图7是本发明实施例提供的波束的仿真主瓣方向和测试主瓣方向；
图8是本发明实施例提供的分别在状态I、II和III的最大增益曲线-频率的仿真和测试结果图。
具体实施方式
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。
为了便于描述，下文和附图都将以小型波束可控贴片天线为例来说明本发明实施例提供的贴片天线的结构，应当理解的是，本发明实施例并不限于小型波束可控贴片天线，而应包含所有具备本发明特征的所有可重构天线。
请参见图1，是本发明实施例提供的一种基于可重构寄生单元的波束可控贴片天线的侧视图。该天线包括上层介质板1、主辐射贴片2、尼龙柱3、下层介质板4、金属地板5、同轴电缆6和直流连接探针7，主辐射贴片2放置在上层介质板1的上表面，与阻抗为50Ω的同轴电缆6的内芯相连，同轴电缆6的外导体和天线的金属地板5相连，金属地板5附着在下层介质板4的下表面，两块介质板由四根尼龙柱3支撑。
在图1所示的基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线的实施例中，用Rogers RO 4350B介质板形成1.524mm厚的上层介质板1和下层介质板4，在下层介质板4的下表面附着有0.035mm厚的PEC板作为金属地板5。Rogers RO 4350B介质板可以用相对介电常数εr＝3.48、损耗正切值为0.004的材料加工而成。上下层介质板1、4之间有5.0mm的距离，空气层的电容效应有效拓宽了天线的工作带宽。
下面将参考图2、2(a)详细描述两个介质板上各部分结构。
如图2、2(a)所示，该天线分为上下两部分，上半部分包括“E”字型主辐射贴片2、寄生贴片8、电感元件9和第一直流焊盘10，下半部分包括CSRR结构11、PIN二极管12、第一电容器13、第二电容器14和第二直流焊盘15。PIN二极管12的阴极与金属地板5相连，阳极与CSRR结构11中央的贴片相连，同时阳极通过一个直流连接探针7与寄生贴片8相连。给两个寄生单元PIN二极管12的阳极分别提供偏置电压V1和V2，可控制PIN二极管的导通与截止，从而使单个寄生单元分别工作在引向器和反射器两个状态，寄生单元不同状态的组合使天线工作在不同状态，实现了天线可重构的性能，有效拓宽了天线的波束扫描范围。寄生单元的重复使用也减少了天线所需的引向器数量，引向器和反射器两个工作状态的结合，使天线主瓣的倾斜角增大，有效工作频段变宽。
如图2、2(a)所示，在上层介质板1上表面，每个寄生贴片8都通过一个电感元件9与一个第一直流焊盘10相接，以实现RF电流的隔离。在每个第一直流焊盘10的垂直下方，也就是金属地板5的对应位置均设有一个第二直流焊盘15，该第二直流焊盘15通过一个第二电容器14与金属地板5相连，使地板面上的RF电流连续。
另外，第一电容器13被放置在CSRR的缝隙中，以实现直流隔离并保持地板5上RF电流的连续性。
如图3(a)、(b)、(c)所示，是本发明一个实施例提供的分别工作在状态I、II和III的反射系数S11-频率和增益曲线-频率的仿真结果图。可以看出仿真的阻抗带宽在状态I、II和III分别为3.16-3.83GHz，3.16-3.83GHz和3.16-3.83GHz，仿真的重叠阻抗带宽为3.16-3.83GHz(0.67GHz，19.0％)。测试的阻抗带宽在状态I、II和III分别为3.15-3.79GHz，3.18-3.86GHz和3.18-3.82GHz。测试的重叠阻抗带宽为3.15-3.82GHz(0.67GHz，19.0％)。可以看出，在所有的三个状态中，仿真结果S11和测试结果S11有很好的一致性。
如图4(a)、(b)、(c)所示，是本发明一个实施例提供的分别工作在状态I、II和III下3.4GHz处的仿真3D辐射方向图。容易看出，该天线的辐射波束主瓣方向可以在三个方向之间离散地切换，实现天线的波束可控性能，有效拓宽了天线的波束扫描范围。
如图5和图6所示，是本发明一个实施例提供的基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线在状态I、II和III下以0.1GHz为间隔，从3.3GHz到3.5GHz的E-面的仿真和测试辐射方向图。可以看出，在带宽从3.3GHz到3.5GHz情况下，该天线可以实现良好的波束可重构性和高增益的性能，在状态I中辐射方向图指向+Z方向，在状态II中向-X轴方向倾斜，在状态III中向+X轴方向倾斜，在不同的状态下，辐射方向图后瓣约为14dB，3dB波束宽度约为70°，在所有状态下，后瓣比主瓣少10dB。
如图7所示，是本发明实施例提供的波束的仿真主瓣方向在状态I、II和III下分别是0°、-25°、25°，测试结果的主瓣方向在状态I中从3°到5°浮动，在状态II中从-18°到-34°浮动，在状态III下从15°到34°浮动，寄生单元之间不同的组合使天线辐射波束主瓣方向离散的切换，测得的主瓣方向与仿真结果十分接近，仿真结果和测试结果之间的差异是因为制造和测试误差。
如图8所示，是本发明实施例提供的分别在状态I、II和III的最大增益曲线-频率的仿真结果和测试结果，该图中仿真结果-状态II和III重合。从图中可看出，在增益曲线中显示仿真结果的最大增益范围为状态I下从6.10至7.62dBi，状态II下从6.84到7.95dBi，状态III下从6.84到7.95dBi。因为状态II和III是“E”字形主辐射贴片和一个寄生单元共同作用，而状态I只有主辐射贴片的作用，所以在状态I的最大增益低于工作频带中的状态II和III的最大增益，但测得的最大增益相当接近仿真值，仿真增益和测试增益之间的差异是因为制造和测试误差。
本发明实施例具有如下优点：
1、使用CSRR结构可以降低寄生贴片的谐振频率，从而减小寄生单元的尺寸，减小天线的总体尺寸；
2、使用CSRR结构，使天线具有非常陡峭的阻带传输特性，在CSRR缝隙中放置PIN二极管，通过简单的直流控制电路可以使寄生单元分别工作在引向器和反向器两个状态；
3、由寄生贴片对应地板上加载CSRR结构作为寄生单元控制方向图的偏移，使天线的辐射波束主瓣方向可以在0°、-30°和30°之间离散地切换，实现天线的波束可控性能，有效拓宽了天线的波束扫描范围；寄生单元的重复使用也使天线所需的引向器数量减少；引向器和反射器两个工作状态的结合，可使得天线波束主瓣的倾斜角增大，有效工作频段变宽；
4、在天线结构紧凑体积较小的情况下拥有较宽的频率覆盖范围，具有8.8％的工作带宽；
5、贴片天线具有高增益、低剖面的优良性能；
6、使用较少的电容器和电感元件保证了天线中电流的连续性和必要的隔离；
7、与以前的工作相比，该天线具有更宽的带宽、简单和紧凑的结构、低剖面，更少的有源元件，也有相当高的增益，较大的主瓣倾角和前后比数值，因此该天线具有更好的性能。
本发明提供的实施例可应用于各类无线通信系统的接收和发射设备中，工作在3.25-3.55GHz频段的天线。同时受益于PIN开关、寄生贴片和CSRR，本发明也具有波束可控的性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线，其特征在于，在上层介质板上表面放置一个主辐射贴片和左右两个寄生贴片，下层介质板下表面附着有一层金属地板，金属地板上蚀刻两个对应着上方寄生贴片的CSRR结构；每个寄生贴片与对应金属地板上加载的CSRR结构一起构成一寄生单元；主辐射贴片由同轴电缆馈电，同轴电缆的内芯与主辐射贴片相连，外导体与金属地板相连；上层介质板与下层介质板之间间隔一定距离，相互平行；
两个寄生单元在引向器和反射器两个状态间转换以实现功能复用，当两个寄生单元都是引向器时，天线处于向+z方向辐射的状态Ⅰ；当左边寄生单元为引向器，右边为反射器时，天线处于向-x方向辐射的状态Ⅱ，反之则为状态Ⅲ；
每个CSRR结构的缝隙中有一个用于实现寄生单元状态切换的PIN二极管，PIN二极管的阴极与金属地板相连，阳极和CSRR结构中央的贴片相连，同时阳极通过一个直流连接探针与上层介质板上表面的寄生贴片相连，PIN二极管的导通与截止是通过给PIN二极管的阳极提供偏置电压实现；
每个寄生贴片都通过一个电感元件与一个第一直流焊盘相接，以防止RF电流从寄生贴片流向金属地板，实现RF电流的隔离。
2.根据权利要求1所述的基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线，其特征在于，对两个PIN二极管的阳极分别提供偏置电压V1和V2，对应的控制电压是高电平时PIN二极管导通使寄生单元工作在引向器状态，低电平时PIN二极管截止则为反射器状态。
3.根据权利要求1所述的基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线，其特征在于，每个CSRR结构的缝隙中都放置了一个用于实现直流隔离并保持RF电流的连续性的第一电容器。
4.根据权利要求1所述的基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线，其特征在于，在金属地板对应于上方第一直流焊盘位置处设有第二直流焊盘，该第二直流焊盘通过一个第二电容器与金属地板相连，该第二电容器用于保持金属地板上RF电流的连续性。
5.根据权利要求1所述的基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线，其特征在于，所述主辐射贴片采用“E”字形主辐射贴片，贴片由一个长方形的贴片去掉两个开放式的缝隙构成。
6.根据权利要求1所述的基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线，其特征在于，上层介质板、下层介质板用若干根尼龙柱来固定。
7.根据权利要求1所述的基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线，其特征在于，上层介质板、下层介质板之间间隔5 mm。
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