一种方向图具有多种可重构特性的天线

摘要

本发明公开了一种方向图具有多种可重构特性的天线。其特点是采用电容耦合馈电方式，通过控制加载在贴片天线与接地金属条之间的PIN二极管，控制金属贴片成为辐射单元或地，从而使天线获得全向扫描或水平全向辐射特性。该天线包括辐射单元、底座和馈电网络。通过PIN二极管控制贴片与地的连通与断开，可实现辐射波束在水平面的扫描、全向辐射等多种可重构特性。本发明具有扫描步进小、增益高、设计理念新颖、馈电网络简单等优势，可广泛用于新型无线通信系统、无线追踪与定位系统等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可重构天线，尤其涉及一种方向图具有多种可重构特 性的天线。

背景技术

可重构天线是当前天线领域研究的前沿课题，也是未来天线的发展方 向。随着无线通信系统的快速发展，天线系统的设计需要满足高信道 容量、高传输速率等要求，为了降低系统设计的复杂度、简化电磁环 境、节约能源，往往要求一个天线具有多种不同的工作模式，并且能 够方便地在不同模式之间进行切换。方向图可重构天线是可重构天线 的一大研究方向，通过方向图的扫描、旋转等可以将电磁能量集中于 需要覆盖的范围，既能实现能量和空间资源的有效利用、改善系统增 益，又能提高通信安全性、避免噪声干扰，因此，方向图可重构天线 是可重构天线研究的热点。

实现方向图可重构的方法主要有机械扫描和电扫描两种，机械扫描是 通过机械控制天线进行旋转移动等，这种方法需要复杂的控制系统， 成本较高且不利于系统的小型化；电扫描最常用的方法是采用相控阵 天线，然而相控阵天线又受到扫描角度的限制并且需要设计复杂的馈 电网络。因此，通过简单的控制电路实现方向图的全向扫描成为方向 图可重构天线的难点。

PIN二极管具有便于控制，价格低廉等优点，国内外已有许多科研人员 将其应用于方向图可重构天线的设计中。如Mahmoud Niroo Jazi等 人采用频率选择表面围成一个圆柱形包裹在偶极子天线的外部，在频 率选择表面的谐振单元上加载PIN二极管，通过控制PIN二极管的通断 ，可以调节其谐振 频率，从而在需要辐射的方向构造出电磁波透射窗口，在不需要辐射 的方向则等效为反射面[见N. Jazi, T. A. Denidni, “Agile  Radiation-pattern Antenna Based on Active Cylindrical  Frequency Selective Surfaces,” IEEE Antennas and Wire less Propagation Letters, Vol. 9, 2010.]，不过这种方法需 要较多数量的PIN二极管，且馈电网络比较复杂。再如Xiaotao Cai等 人采用平面结构实现的六波束全向可重构天线，通过PIN二极管选择不 同方向的枝节进行辐射[X. T. Cai, A. G. Wang, N. Ma, W . Leng, “A Novel Planar Parasitic Array Antenna wit h Reconfigurable Azimuth Pattern,” IEEE IEEE Antennas  and Wireless Propagation Letters, Vol. 11, 2012]，然 而其只能向六个方向辐射，扫描精度不高，增益也只有4 dB。本发明 首次提出了微带贴片天线贴片与地可互换的概念，并由此设计出方向 图全向可重构天线。由于本发明基于微带贴片天线进行设计，相比于 已有文献中采用的单极子或偶极子形式的辐射单元增益更高，同时本 发明所涉及的天线具有多种工作模式，提高了扫描精度和灵活性，同 时具有馈电方式简单、便于控制、低成本等优点，具有重要的应用前 景。

发明内容

本发明的目的是提供一种方向图具有多种可重构特性的天线。在性能 上具备方向图全向可重构的同时，还可以根据需要提高扫描精度和多 种工作模式，并且控制及馈电网络比较简单，以克服传统全向波束可 重构天线馈电结构复杂、增益有限、扫描精度不足等缺点。

实现本发明目的的技术方案是：一种方向图具有多种可重构特性的天 线，包括辐射单元、底座和馈电网络；所述辐射单元由印刷在基板上 均匀分布的N（N为自然数，且N≥2）个长方形微带贴片、分布在微带 贴片周围的接地金属条以及2N个PIN二极管构成；微带贴片，金属条均 附着在介质基板的外表面上，介质基板首尾相接围成一个圆柱形，并 且微带贴片与 接地金属条之间的缝隙具有相同的宽度；PIN二极管的阳极焊接在微带 贴片窄边的正中央，阴极焊接在接地金属条上；所述底座是一个中间 有圆孔的金属圆盘，该圆盘位于接地金属条下方，并且与接地金属条 焊接在一起；所述馈电网络包括直流控制电路、金属圆柱块以及同轴 线；直流控制电路通过直流导线连接到每个微带贴片对PIN二极管进行 控制；金属圆柱块位于辐射单元的内部，并且与辐射单元的中心轴线 重合；同轴线的阻抗为50欧姆，其外导体与底座下表面焊接在一起， 内导体穿过底座中央的圆孔与金属圆柱块相连。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明具有多种方向图可重构特性。本发明所涉及的天线具有多 种工作方式，任意数量和位置的贴片进行组合都可以构造出一种工作 方式：如单个贴片作为辐射单元，其他贴片接地时，波束指向有N个可 选的辐射方向；两个相邻贴片作为辐射单元，其他贴片接地时，波束 指向在两贴片中间，具有另外的N个可选辐射方向；所有贴片都作为辐 射单元时，天线为水平全向辐射等。

（2）本发明扫描步进小且可根据需要减小步进角度。采用N个贴片时 ，本发明所涉及的天线共有2^N种工作方式，若增加贴片的数量，可以 获得更多的工作方式。

（3）本发明具有高增益的优势。如对于六个贴片的情况，单个贴片工 作时，天线增益为7.60 dB；两个相邻贴片工作时，天线增益为8.79  dB；所有贴片工作时，天线增益为2.93 dB等。

（4）本发明具有馈电网络简单、便于控制的优势。由于采用贴片和地 可重构而非馈电网络的可重构实现扫描，因此可采用简单的馈电网络 设计。并且PIN二极管直接焊接在贴片和地之间，不需要额外设计直流 偏置电路，降低了加工复杂度。

本发明的目的、特征及优点将结合实施例，参照附图作如下进一步的 说明。

附图说明

图1是本发明方向图具有多种可重构特性天线的结构示意图

图2是本发明天线结构的反射系数S₁₁幅度仿真结果

图3是本发明天线结构在三种工作方式下的E面方向图仿真结果

具体实施方式

参见图1，本发明辐射单元采用国产F4B基板首尾相接围成一个高57.4  mm、直径90 mm的圆柱，圆柱内表面为介质层，外表面均匀分布N= 6个矩形贴片铜层（P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆），每个矩形贴片高45  mm、宽35.3 mm，与基板底边距离为6.2 mm，相邻两个贴片相距11. 7 mm。相邻两贴片之间、贴片与基板上下边缘之间分布有用于使PIN 二极管接地的金属条，两贴片之间的金属条宽5.5 mm，与两贴片的距 离相等，贴片与基板上下底边之间的金属条宽为5.4 mm。对于上述矩 形贴片之一（如P₁），PIN二极管（PIN₁₁）的一端焊接在基板下边缘金 属条上，另一端焊接在该矩形贴片下边缘中间，PIN二极管（PIN₁₂）的 一端焊接在该矩形贴片上边缘中间，另一端焊接在基板上边缘金属条 上。上述六个贴片每个贴片都以相同的方式焊接两个PIN二极管，整个 辐射单元共需要2N=12个PIN二极管。

底座2由一个直径为90 mm，中心挖去直径为2.3 mm的圆孔的金属圆 盘构成，辐射单元置于该圆盘之上，辐射单元基板底边的金属条与该 金属圆盘焊接在一起，从而金属圆盘即对辐射单元起到支撑作用，同 时又是整个天线的参考地。

馈电网络采用铝块制成的一个高35 mm、直径66 mm的圆柱321，并与 馈电同轴线322内导体相连，该圆柱321位于辐射单元的内部，圆柱与 同轴线的中心轴线重合，交流馈电网络圆柱壁与贴片11平行，从而在 两层 金属之间构成一个耦合电容，达到耦合馈电的目的；同时同轴线322外 导体与底座中心金属圆孔的边缘连接在一起，从而与天线系统的地相 连，圆柱321的底边距底座2的高度为10 mm。

图2为本发明的反射系数S₁₁幅度仿真结果。由反射系数S₁₁幅度仿真结果 可以看出该天线工作频率为2.4 GHz，反射系数S₁₁小于-10 dB。

图3为本发明天线结构在三种工作模式下的E面辐射方向图仿真结果。 当同一贴片上的两个PIN二极管同时导通时贴片与地导通，该贴片的工 作状态记为0，当上述两个PIN二极管同时断开时贴片与地断开，贴片 的工作状态记为1。实线为工作状态100000的E面辐射方向图仿真结果 ，其峰值增益为7.60 dB，点划线为工作状态000110的E面辐射方向图 仿真结果，其峰值增益为8.79 dB，虚线为工作状态111111的E面辐射 方向图仿真结果，其增益为2.93 dB。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读 者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样 的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的 这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这 些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。