一种多角度主波束指向可重构的平面微带天线

摘要

本发明提出了一种多角度主波束指向可重构的平面微带天线，属于电子技术领域，特别涉及一种具有五个主波束辐射方向的天线。包括带馈电输入口的绝缘基板及设于基板底面的接地金属板、设于基板上表面的引向振子及驱动振子。驱动振子为基本驱动振子与可调驱动振子垂直交叉而成的“十”字型驱动振子，交叉点为馈电点，四组引向振子分别位于驱动振子的四个夹角内，每组引向振子由两条平行的且中间设有开关的金属条构成，金属接地板为一个与驱动振子对应的“十”字型接地板。本发明中，各工作模式除辐射方向不一致外，其余技术参数具有高度的一致性，所以本发明设计完成了一种具有五个主波束辐射方向且各个工作状态稳定的平面微带天线。

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及一种具有五个主波束辐射方向的可重构平面微带天线。 

背景技术

随着信息技术的发展，以无线传输方式传递信息的现代移动通信、卫星通信、各种军/民用雷达和飞行器等，在国民经济及国防领域中的地位变得越来越重要。天线是无线通信系统的重要组成部分，它能接收和发射无线电波而传递信息，因此天线的工作特性将直接影响整个无线通信系统的性能，这使得天线技术的发展成为无线信息技术发展的重要内容。当前，各种无线系统对容量、功能、带宽等性能的要求越来越高。显然，提高系统容量、增加系统功能、扩展系统带宽，可以满足现实需求，但这将使得在同一无线系统平台上搭载的信息子系统数量增加，从而使得天线的数量也必然相应地增加。可重构天线将多个天线的功能融合到同一天线口径中，可以降低系统的整体成本、减轻重量、减小系统的雷达散射截面、实现良好的电磁兼容特性，用一个天线口径实现多个天线的功能。 

文献“一种微带寄生振子结构的方向图可重构天线”（“A Pattern Reconfigurable Microstrip Parasitic Array”.IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION,VOL.52,NO.10,OCTOBER 2004，pp.2773–2776.）。将八木天线寄生振子结构改进到微带结构中，设计成微带八木结构的主波束可重构天线。如图1所示，天线本体包括带馈电输入口的绝缘基板、相互平行设于基板上的与同轴电缆内导体连接的驱动振子和分别带有两个二极管开关的寄生振子，设于基板底面的接地金属板，同轴电缆；同轴电缆内导体与驱动振子偏心连接，工作时电流由较长的一端流向较短的一端，作为寄生振子的两侧金属条分别在两端通过开关连接一延长段，当两端开关接通时则该寄生振子为引向振子、当两端开关断开时该寄生振子即为反射振子；工作时各寄生振子上的两个开关状态一致，通过调节寄生振子开关连接状态使其功能在引向振子与反射振子之间转换，当两侧引向振子的开关连接状态不同时，主波束辐射方向偏向开关连接的引向振子一侧，当开关连接状态相同，主波束垂直于天线基板向上辐射。该天线虽然结构简单，但由于只有一条驱动振子且激励电流流向固定，加之驱动振子两侧均只设有一条寄生振子，因而工作时主波束辐射方向只有三个角度。 

发明内容

本发明的目的是设计一种多角度主波束指向可重构的平面微带天线，以实现具有五个可选择的主波束辐射方向的目的。 

本发明是在背景技术微带八木天线基本原理上的改进设计，本发明天线的主体部分包括带馈电输入口的绝缘基板及设于基板底面的接地金属板、设于基板上表面的引向振子及驱动振子，其特征在于所述驱动振子为基本驱动振子与可调驱动振子交叉固定而成的“十”字交叉形驱动振子，两者交叉点为天线馈电点，基本驱动振子馈电点两侧长度不相等，而可调驱动振子则包括振子主体及位于两端的延长段、以及将振子主体两端分别与延长段固定连接成一体的开关，可调驱动振子两侧相对于馈电点对称设置，其中任一侧的长度等于基本驱动振子较长的一段、振子主体位于馈电点两侧的长度均与基本驱动振子较短的一段相等；所述引向振子为结构相同的四组引向振子，每组引向振子由两条平行的且中间设有开关的金属条构成，各组引向振子分别位于基本驱动振子及可调驱动振子所形成的四个夹角内，其延长线与两侧驱动振子金属条呈45°角；所述金属接地板为一个与驱动振子对应的“十”字交叉形接地板，接地板的四条边长度及宽度相同、其中心与同轴电缆外导体连接，同轴电缆内导体则 穿过绝缘基板与驱动振子上的馈电点连接。 

其中，驱动振子、引向振子、金属接地板均通过传统的印刷或刻蚀等方式设置于绝缘基板，所有开关为PIN二极管开关或者MEMS开关，开关通过焊接的方式固定连接。 

本发明的天线对不同频段有不同的尺寸取值范围。如在频段3GHz至10GHz范围内，基本驱动振子交叉点两侧的长度分别为0.25-0.35λ和0.2-0.3λ（λ为工作频段中心频点处的波长）；各引向振子的长度为0.1-0.5λ，其中各个内侧引向振子距中心馈电点的距离均为0.1-0.5λ，各外侧引向振子距内侧引向振子的距离均为0.05-0.15λ；驱动振子及引向振子的宽度全部一致，其宽度按照阻抗80-120欧姆微带线取值。 

本发明中，驱动振子由基本驱动振子与可调驱动振子垂直交叉构成，改变可调驱动振子上开关的连接状态即改变该驱动振子的长度，驱动振子上的电流由较长的一端流向较短的一端，切换开关连接状态、即实现了对激励电流不同流向的选择。引向振子分别设置于基本驱动振子及可调驱动振子所形成的四个夹角内，每个引向振子中间加载一个开关，且每组引向振子中开关的连接状态一致，改变开关的连接状态、即选择寄生电流的产生或切断。天线工作时，可调驱动振子上的两个开关总是一开一关，激励电流就有两种不同流向，分为激励模式一与激励模式二，此时，只有在两侧驱动振子长度不同的夹角内的引向振子才对波束产生作用，选择不同的激励电流的流向、即选择不同的两组引向振子对波束产生影响，这两组引向振子上开关的不同组合，共有三种不同角度的主波束辐射方向，所以本发明天线共有六种辐射模式，其中有两种辐射模式的主波束辐射角度相同、为垂直于基板向上辐射，其余四种辐射模式的主波束辐射方向与天线基板所在平面有30°-50°的偏离。所以本发明具有五个可选择的主波束指向；另外，本发明在整体结构上具有很高的对称性，各工作模式除辐射方向不一致外，其余技术参数（如S11，辐射增益等）都具有高度的一致性，所以本发明天线的各个工作状态稳定。综上所述，本发明设计实现了一种多角度主波束指向可重构的平面微带天线。 

附图说明

图1为背景技术的天线示意图； 

图2为本发明天线的正面图； 

图3为本发明天线的背面图； 

图4为本发明实施例中，开关K9断开，K10连接时驱动振子上的电流方向； 

图5为本发明实施例中，开关K10断开，K9连接时驱动振子上的电流方向； 

图6为本发明实施例中，六种辐射模式下的S11参数曲线； 

图7为本发明实施例中，第一种辐射模式的3D及切面方向图； 

图8为本发明实施例中，第二种辐射模式的3D及切面方向图； 

图9为本发明实施例中，第三种辐射模式的3D及切面方向图； 

图10为本发明实施例中，第四种辐射模式的3D及切面方向图； 

图11为本发明实施例中，第五种辐射模式的3D及切面方向图； 

图12为本发明实施例中，第六种辐射模式的3D及切面方向图。 

附图标号说明： 

1．绝缘基板；2-1.驱动振子；2-2～3.寄生振子；3-1～4.开关；4.绝缘基板；5-1.基本驱动振子；5-2.可调驱动振子；6-1～4.引向振子；7-1；开关K1、K2；7-2.开关K3、K4；7-3.开关K5、K6；7-4.开关K7、K8；7-5.开关K9；7-6.开关K10；8.金属接地板；9同轴电缆馈电输入口。 

具体实施方式

本发明以工作在5.9GHz的天线为实施例加以说明。 

如图2所示，基板为厚度为1mm，相对介电常数ε_r＝2.2的RO6010板材，驱动振子、引向振子、金属接地板刻蚀或印刷于基板正面。驱动振子中，可调驱动振子主体的长度为15mm，延长段长度均为1.7mm，基本驱动振子馈电点两侧的长度分别为9.7mm及7.5mm。每组引向振子中，内侧引向振子距离馈电点的距离为6.5mm，长度为7mm，外侧引向振子距离馈电点的距离为10mm，长度为10.5mm。驱动振子及引向振子的宽度均为1mm。如图3所示，接地金属板设置于基板背面，与驱动振子相对应，金属接地板中，四金属条的长度均为11.2mm，宽度均为4mm，其中心焊接50欧姆同轴电缆外导体，同轴电缆内导体则穿过绝缘基板与驱动振子上的馈电点连接。 

驱动振子上的开关用于调节激励电流的流向，开关K9、K10在天线工作时一个连接一个断开。当开关K9断开、K10连接时，电流流向如图4所示，该模式为激励模式一；当K9连接、K10断开时，电流流向如图5所示，该模式为激励模式二。 

在激励模式一时，只有平行于Y轴的引向振子才会对辐射波束产生引向作用，因此调节开关K1、K2与K5、K6连接状态即可实现在ZOX平面上的三种辐射模式；同理，在激励模式二时，只有平行于X轴的引向振子才会对辐射波束产生引向作用，因此调节开关K3、K4与K7、K8的连接状态即可实现ZOY平面上的三种辐射模式。其中每组引向振子中两个开关的连接状态保持一致。 

附图7至附图12别给出了天线六个辐射模式下的3D及切面方向图，现将开关连接状态及相应仿真参数列至下表，供以比对，其每个模式中未标明的开关的连接状态对此工作模式基本不产生影响。 

这里需要说明的是，本发明的天线共有六种辐射模式，五个主波束辐射方向，其中辐射模式一与辐射模式四的主波束指向均为垂直天线基本法向辐射，区别为模式一的辐射方向图3dB宽波束面为ZOX面，模式四的辐射方向图3dB宽波束面为ZOY面。 

附图6为六种工作模式下S11参数曲线图，可以看出各个辐射模式下的S11参数基本一致且在5.9GHz这个频点上S11参数都低于-25dB，这保证了端口的阻抗匹配，使得输入信号高效馈入天线。 

综上，本发明设计完成了一种简单高效的具有多角度主波束指向的可重构天线。