CN109742533B - 一种差分馈电双极化方向图可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分馈电双极化方向图可重构天线，包括介质基板、天线辐射单元、微带线馈电结构、寄生单元及同轴馈线单元；所述天线辐射单元包括相互垂直的第一对双偶极子及第二对双偶极子，所述寄生单元包括四对，分别设置在天线辐射单元的周围，每对寄生单元加载开关，所述微带线馈电结构包括相互垂直设置的第一馈电微带线及第二馈电微带线，其交点位于介质基板的中心点，同轴馈线单元对天线辐射单元进行馈电。本发明具有差分馈电结构，便于与射频前端集成。本差分馈电双极化方向图可重构天线具有体积小、重量轻、结构简单，可以实现x轴和y轴两方向的极化方式，以及E面和H面的方向图可重构。

Description

一种差分馈电双极化方向图可重构天线

技术领域

本发明涉及移动通信领域，具体涉及一种差分馈电双极化方向图可重构天线。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展，天线技术也得到了飞速发展。可重构天线是天线与射频技术、微电子、电子机械等学科领域相互交叉的产物，其可以根据天线的工作环境，动态地调整天线的口径和结构来实时改变天线的某些参数，使其实现不同的功能。方向图可重构天线是可重构天线研究领域的重要一类，它具有重构其辐射方向图的能力，通过在保持天线工作频段与极化方式不变的前提下，改变方向图形状或主波束辐射方向。方向图可重构天线可调整方向图的最大辐射方向，大大提高系统的容量和安全性。

传统天线通常采用单端口馈电，在系统中需要连接额外的巴伦或反相功率分配器(平衡非平衡转换器)，来实现单端信号到差分信号之间的转换。但巴伦的使用会引起射频前端损耗、降低系统效率，解决方案并不乐观，不利于天线与射频前端的集成。

为了降低无线通信系统的成本，紧凑、高集成度的射频前端产品成为设计的主流。在射频前端中，差分系统的应用使射频收发系统的性能得到了较为明显的改善。

双极化是极化分集技术的一种应用。采用分集技术可以克服信号的衰落，抵抗多径效应。在容量一定的条件下，采用双极化来实现频率复用，缓解容量不足的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，把方向图可重构技术和双极化技术进行组合，本发明提供一种差分馈电双极化方向图可重构天线，能实现x方向和y方向的两种极化，8.7％的阻抗带宽和方向图带宽，覆盖3.3-3.6GHz的频段，在xoy平面可实现4个方向的方向图可重构，实现E面切换的两方向可重构。

本发明采用如下技术方案：

一种差分馈电双极化方向图可重构天线，包括介质基板、天线辐射单元、微带线馈电结构、寄生单元及同轴馈线单元；

所述天线辐射单元关于介质基板中心对称，具体包括相互垂直设置的第一对双偶极子及第二对双偶极子，两对双偶极子分别设置在介质基板的上、下表面，每对双偶极子均通过两条并联微带线连接，偶极子内开有L型缝隙；

所述寄生单元包括四对，分别设置在天线辐射单元的周围，每对寄生单元加载开关，两对寄生单元位于介质基板的上表面，另外两对寄生单元位于介质基板下表面；

所述微带线馈电结构包括相互垂直设置的第一馈电微带线及第二馈电微带线，其交点位于介质基板的中心点，两条馈电微带线分别设置在介质基板的上、下表面；

所述同轴馈线单元包括两对同轴线，分别通过差分馈电端口与两对双偶极子连接。

所述第一对双偶极子竖直设置在介质基板的上表面，且关于介质基板的Y轴对称，所述第二对双偶极子水平设置在介质基板的下表面，且关于介质基板的X轴对称，XY轴的坐标原点为介质基板的中心点。

每对寄生单元均是由两段相同结构的微带线连接构成，连接的中间位置加载开关。

寄生单元中相同结构的微带线线宽为4.2mm。

所述差分馈电端口包括第一对差分馈电端口及第二对差分馈电端口，两对差分馈电端口异面垂直，两对差分馈电端口分别设置在连接第一对双偶极子的并联微带线及连接第二对双偶极子的并联微带线上。

所述同轴线为软同轴线，一对同轴线的内芯与第一馈电微带线焊接，其外芯与第一对双偶极子连接，另一对同轴线的内芯与第二馈电微带线焊接，其外芯与第二对双偶极子连接。

所述开关为二极管开关。

所述偶极子为弧形弯曲结构。

微带线馈电结构的特征阻抗为40-60Ω。

本天线在一种极化情况下，通过控制开关状态，实现两个方向的方向图可重构；切换两对差分信号，每次只对某一对差分信号进行馈电，实现X轴方向和Y轴方向极化，进一步实现四种极化。

本发明的有益效果：

1、本发明采用差分馈电，避免了巴伦的使用，可直接与射频前端集成；

2、本发明采用了双极化技术，在一副一线满足多种制式的通信系统的需求，提高系统容量；

3、本发明采用平面结构，无反射板，阻抗带宽和方向图带宽稳定，在两种极化方式下均可实现两个模式的方向图可重构，结构简单，制作成本低；

4、本发明采用了弯折的偶极子，并在偶极子上开L型缝隙，改善天线的阻抗匹配和减小方向图的交叉极化。

附图说明

图1是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线的结构示意图；

图2是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线的实施例结构示意图；

图3是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线采用开关的偏置电路的电路图；

图4是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线的二极管导通状态的等效电路；

图5是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线的二极管断开状态的等效电路；

图6是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于x轴方向极化时，模式1的阻抗带宽图；

图7是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于x轴方向极化时，模式1在3.5GHz的水平面方向图；

图8是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于x轴方向极化时，模式1在3.5GHz的垂直面方向图；

图9是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于模式1在3.3-3.6GHz频段的增益曲线图；

图10是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于x轴方向极化时，模式2的阻抗带宽；

图11是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于x轴方向极化时，模式2在3.5GHz的水平面方向图；

图12是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于x轴方向极化时，模式2在3.5GHz的垂直面方向图；

图13是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于x轴方向极化时，模式2在3.3-3.6GHz频段的增益曲线图；

图14是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于y轴方向极化时，模式3的阻抗带宽；

图15是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于y轴方向极化时，模式3在3.5GHz的水平面方向图；

图16是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于y轴方向极化时，模式3在3.5GHz的垂直面方向图；

图17是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于y轴方向极化时，模式3在3.3-3.6GHz频段的增益曲线图；

图18是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于y轴方向极化时，模式4的阻抗带宽；

图19是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于y轴方向极化时，模式4在3.5GHz的水平面方向图；

图20是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于y轴方向极化时，模式4在3.5GHz的垂直面方向图；

图21是本发明所述一种差分馈电双极化方向图可重构天线处于y轴方向极化时，模式4在3.3-3.6GHz频段的增益曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种差分馈电双极化方向图可重构天线为关于介质基板中心对称结构，包括介质基板1、天线辐射单元、微带线馈电结构、寄生单元及同轴馈线单元；

如图2所示，介质基板1的长Subx为54mm，宽度Suby为54mm；所述天线辐射单元包括第一对双偶极子2A、2B和第二对双偶极子2C、2D，两对双偶极子通过并联的微带线连接,且相互垂直，本实施例中第一对双偶极子连接的并联微带线竖直放置，关于介质基板Y轴对称，所述第二对双偶极连接的并联微带线水平放置，且关于介质基板X轴对称。第一对双偶极子设置在介质基板的上表面，第二对双偶极子设置在介质基板的下表面，两对双偶极子为异面垂直。本实施例中偶极子为弧形弯曲结构，弧形弯曲结构内开有L型缝隙3，同一条微带线连接的偶极子的L型缝隙开口方向相同。本实施例中第一对双偶极子的L型缝隙，其中一条微带线是开口向介质基板的右侧边缘，另一条微带线的L型缝隙开口向介质基板的左侧边缘。第二对双偶极子的L型缝隙，其中一条微带线的开口朝向介质基板的上端，另一条微带线的L型缝隙开口朝向介质基板的下端，并联微带线之间的距离为f＝2.5mm；寄生单元作为引向器，距离偶极子的距离为gap＝3.6mm。

所述寄生单元包括第一对、第二对、第三对及第四对寄生单元6A、6B、6C及6D，本实施例中第一对及第二对寄生单元设置在介质基板的上表面，并位于第一对双偶极子的上端及下端。所述第三对及第四对寄生单元设置在介质基板的下表面，并位于第二对双偶极子的左侧及右侧。每对寄生单元的结构相同，均由两段线宽为W2＝4.3mm的微带线连接构成，所述每段微带线在连接处的上下两端截取矩形，其长度为b2＝2.4mm，宽度为b1＝0.8mm。所述两端微带线的连接处中间位置设置开关，本实施例中共有四个开关，分别为第一开关7A、第二开关7B、第三开关7C及第四开关7D，均为二极管开关，开关的偏置电路如图3所示，其中L1取值47nH，L2取值47nH，这里电感起着通直流阻交流的作用，R1取值为200Ω，作限流作用，直流电源V1接3V电源，V2接地；

所述微带线馈电结构包括相互垂直设置的第一馈电微带线4A及第二馈电微带线4B，其交点位于介质基板的中心点，本实施例中第一馈电微带线设置在介质基板的下表面，第二馈电微带线设置在介质基板的上表面。微带线馈电结构的特征阻抗为40-60Ω。

所述同轴馈线单元包括第一对同轴线5A、5B及第二对同轴线5C、5D所述第一对同轴线的两根同轴线5A、5B通过第一馈电微带线结构4A进行连接；所述第二对同轴线5C、5D通过第二馈电微带线结构4B进行连接；所述第一对同轴线通过第一对差分馈电端口与第一对双偶极子连接，所述第二对同轴线通过第二对差分馈电端口与第二对双偶极子连接；两对差分馈电端口异面垂直。

第一对差分馈电端口均为非金属化过孔，第二对差分馈电端口均为非金属化过孔。

本实施例的具体尺寸如图2所示，介质基板1的长度Subx为54mm，宽度Suby为54mm；寄生单元都是由两段线宽为W2＝4.3mm的微带线组成，且其长度L2＝14.2mm；一对双偶极子2A、2B中的并联微带线长度为W1＝30.5mm，宽度为W3＝4.2mm，一对双偶极子2A、2B中的臂长L1＝12.3mm，宽度为W1＝4mm；L型缝隙的宽度为lx1＝1.3mm，ly1＝3.2mm，lx2＝5mm；偶极子中采用的弧度半径为R1＝2.2mm，R2＝3mm，R3＝5.8mm；寄生单元开关7附近截取部分的宽度为b1＝0.8mm，长度为b2＝2.4mm；微带线馈线长度均为d＝6.7mm，宽度为p＝1.6mm；偶极子两臂之间的距离为f＝2.5mm；寄生单元作为引向器，距离偶极子的距离为gap＝3.6mm。

本发明的工作过程如下：

第一开关7A、第二开关7B、第三开关7C、第四开关7D在导通状态下，其等效电路如图4所示，电阻R2为2.1Ω；第一开关7A、第二开关7B、第三开关7C、第四开关7D在断开状态下，其等效电路如图5所示，其中电容C1为7000Pf，电阻R3为3000Ω，图中L3、L4为二极管的封装电感，且L3＝L4＝0.6nH。

在一种极化情况下，通过控制开关的状态，能实现两个方向的方向图可重构；切换两对差分信号，每次只对某一对差分信号进行馈电，可以实现两种极化，X轴方向极化和Y轴方向的计划，最后可实现两种极化，四种方向图可重构模式，见下表1。

表1

当天线处于模式1，天线的差模反射系数|sdd|随频率变化而变化的曲线图如图6所示，其阻抗带宽在3.26-3.6GHz范围内,xoy平面方向图如图7所示，xoz平面方向图如图8所示，增益曲线图如图9所示；处于模式2时，天线的差模反射系数如图10所示，其阻抗带宽在3.27-3.61GHz范围内；xoy水平面方向图如图11所示，xoz平面方向图如图12所示，增益曲线图如图13所示；当天线处于模式3，天线的差模反射系数随频率变化而变化的曲线图如图14所示，其阻抗带宽在3.27-3.61GHz范围内；xoy平面方向图如图15所示，yoz平面方向图如图16所示，增益曲线图如图17所示；处于模式4，天线的差模反射系数随频率变化而变化的曲线图如图18所示，其阻抗带宽在3.26-3.60GHz范围内；xoy水平面方向图如图19所示，yoz平面方向图如图20所示，增益曲线图如图21所示。

本实施例提出的差分双极化方向图可重构天线具有体积小、不需要反射板、结构简单，带宽为3.3-3.6GHz，可实现两种极化的两种方向图可重构模式，平均增益高达6.2dBi，同时方向图稳定；且采用的是差分馈电模式，不需要复杂的巴伦平衡器，更利于与射频前端的集成，通过在保持天线工作频段与极化方式不变的前提下，改变方向图形状或主波束辐射方向，可以满足汽车、飞机雷达、只能武器寻的、无线和卫星通信等方面的应用要求。

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所述实施例的限制，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)

1.一种差分馈电双极化方向图可重构天线，其特征在于，包括介质基板、天线辐射单元、微带线馈电结构、寄生单元及同轴馈线单元；

所述天线辐射单元关于介质基板中心对称，具体包括相互垂直设置的第一对双偶极子及第二对双偶极子，两对双偶极子分别设置在介质基板的上、下表面，每对双偶极子均通过两条并联微带线连接，偶极子内开有L型缝隙；

所述寄生单元包括四对，分别设置在天线辐射单元的周围，每对寄生单元加载开关，两对寄生单元位于介质基板的上表面，另外两对寄生单元位于介质基板的下表面；

所述微带线馈电结构包括相互垂直设置的第一馈电微带线及第二馈电微带线，其交点位于介质基板的中心点，两条馈电微带线分别设置在介质基板的上、下表面；

所述同轴馈线单元包括两对同轴线，分别通过差分馈电端口与两对双偶极子连接；

所述第一对双偶极子竖直设置在介质基板的上表面，且关于介质基板的Y轴对称，所述第二对双偶极子水平设置在介质基板的下表面，且关于介质基板的X轴对称，XY轴的坐标原点为介质基板的中心点；

每对寄生单元均是由两段相同结构的微带线连接构成，连接的中间位置加载开关；

所述差分馈电端口包括第一对差分馈电端口及第二对差分馈电端口，两对差分馈电端口异面垂直，两对差分馈电端口分别设置在连接第一对双偶极子的并联微带线及连接第二对双偶极子的并联微带线上。

2.根据权利要求1所述的一种差分馈电双极化方向图可重构天线，其特征在于，相同结构的微带线线宽为4.2mm。

3.根据权利要求1所述的一种差分馈电双极化方向图可重构天线 ，其特征在于，所述同轴线为软同轴线，一对同轴线的内芯与第一馈电微带线焊接，其外芯与第一对双偶极子连接，另一对同轴线的内芯与第二馈电微带线焊接，其外芯与第二对双偶极子连接。

4.根据权利要求1所述的一种差分馈电双极化方向图可重构天线，其特征在于，所述开关为二极管开关。

5.根据权利要求1所述的一种差分馈电双极化方向图可重构天线，其特征在于，所述偶极子为弧形弯曲结构。

6.根据权利要求1所述的一种差分馈电双极化方向图可重构天线，其特征在于，微带线馈电结构的特征阻抗为40Ω-60Ω。

7.根据权利要求1所述的一种差分馈电双极化方向图可重构天线，其特征在于，本天线在一种极化情况下，通过控制开关状态，实现两个方向的方向图可重构；切换两对差分信号，每次只对某一对差分信号进行馈电，实现X轴方向和Y轴方向极化，进一步实现四种极化。