一种方向图可重构的高增益贴片天线

摘要

本发明提供一种方向图可重构的高增益贴片天线，包括依次层叠的金属地板、第一介质层、金属片层、第二介质层以及用于形成TM20模和TM21模的辐射贴片；还包括第一探针和第二探针；金属片层设置有第一金属片和第二金属片；第一探针向第一金属片馈电，第二探针向第二金属片馈电；第一金属片、第二金属片均与辐射贴片耦合；辐射贴片的同一直线的位置上设置有第一缝隙和第二缝隙，且第一缝隙、第二缝隙的长度方向均与TM20模的电流矢量方向平行；第一金属片与第二金属片之间关于一平面呈镜像对称，该平面过所述直线且垂直于辐射贴片；向第一探针与第二探针馈入共模信号或差模信号；通过共模信号与差模信号之间相互切换实现天线双波束和边射方向的方向图重构。

说明书

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其是指一种方向图可重构的高增益贴片天线。

背景技术

随着现代无线通信的快速发展，方向图可重构的天线被广泛应用于各种特殊场景的无线通信中，以有效提高通信系统的信道容量和通信质量。

近年来，国内外大量研究学者对方向图可重构天线进行了大量的研究。文献“K.L. Wong, et al., Reconfigurable square-ring patch antenna with patterndiversity, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 2, pp. 472–475, Feb.2007.”提出一种带有寄生方形环的单馈矩形贴片天线，方形环的其中一对边直接短接到金属地板，另外一对边连接了p-i-n二极管再短接到金属地板，通过切换二极管的工作状态，在天线的工作频带内实现了边射和锥形辐射的方向图可重构，两种状态下的峰值增益分别为6.8和2.5 dBi。但是，该天线的相对阻抗带宽（|S11|<-10 dB）仅有2.5%，限制了其在对带宽要求较宽的无线通信中的应用。文献“W. Lin, et al., Wideband pattern-reconfigurable antenna with switchable broadside and conical beams, IEEEAntennas Wirel. Propag. Lett., vol. 16, pp. 2638–2641, 2017.”将一个单极贴片和一个由L形探针馈电的圆形贴片天线整合在一起，通过切换嵌入在馈电网络中的p-i-n二极管的工作状态，在2.25—2.85 GHz的工作频带内（23.5%的相对带宽）实现了边射和锥形波束的自由切换，且两种状态的峰值增益分别为8.2和6.9 dBi。然而，上述两类方向图可重构天线均面临一个共同的缺陷，即天线增益低、两种状态下的天线增益差大，特别是在实际应用中的天线系统中引入了一些损耗较大的离散元器件时，天线的缺陷会变得更加明显。因此，他们难以应用在中远距离的无线通信中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：设计一种高增益且峰值增益变化较小的方向图可重构贴片天线。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种方向图可重构的高增益贴片天线，包括依次层叠的金属地板、第一介质层、金属片层、第二介质层以及用于形成TM

进一步的，所述直线过所述辐射贴片中心，且均为第一缝隙、所述第二缝隙的中轴线；所述第一缝隙的远离第二缝隙端延伸至所述辐射贴片的边沿，所述第二缝隙的远离第一缝隙端也延伸至所述辐射贴片的边沿。

进一步的，所述直线与所述辐射贴片的长边平行；天线的中心工作频率为λ；所述辐射贴片的长边为A，宽边为B；所述第一缝隙的长度与所述第二缝隙的长度相等，均为C；所述第一缝隙的宽度也与所述第二缝隙的宽度相等，均为D，其中，0.5λ≤A≤λ，0.5λ≤B≤λ，0.1λ≤C<0.5λ，0

进一步的，所述辐射贴片到金属地板的距离为H，所述金属片层到金属地板的距离为h，其中，H≤0.25λ，0

进一步的，所述第一金属片和所述第二金属片的投影均落在所述辐射贴片上，所述辐射贴片的投影均落在所述金属地板上。

进一步的，所述第一金属片与所述第二金属片均为矩形，二者的边与所述辐射贴片的边平行或垂直；所述第一探针与所述第一金属片的中心相接，所述第二探针与所述第二金属片的中心相接；所述第一金属片中心落在辐射贴片上的投影与所述第二金属片中心落在辐射贴片上的投影之间的连线过所述辐射贴片的中心。

进一步的，所述第一介质层为空气或介质板；所述第二介质层为空气或介质板。

进一步的，还包括至少两个塑料柱，所述辐射贴片通过所述塑料柱固定在所述金属地板上；所述第一介质层和所述第二介质层均为空气。

进一步的，所述塑料柱设置有四个；所述塑料柱加载于所述辐射贴片的电场最弱位置，且相邻的两加载位置之间均关于所述辐射贴片的对称轴呈镜像对称。

进一步的，还包括用于支撑所述金属地板的第三介质层，所述第三介质层由介质板构成；所述第一探针依次穿过所述第三介质层、金属地板后向所述第一金属片馈电，所述第二探针均依次穿过所述第三介质层、金属地板后向所述第二金属片馈电。

本发明的有益效果在于：辐射贴片的两种工作状态分别谐振于TM

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为本发明的一种方向图可重构的高增益贴片天线的立体结构图；

图2为本发明的一种方向图可重构的高增益贴片天线的俯视图；

图3为本发明的一种方向图可重构的高增益贴片天线的正视图；

图4为本发明的一种方向图可重构的高增益贴片天线的侧视图；

图5为本发明的一种方向图可重构的高增益贴片天线的仰视图；

图6为本发明的一种方向图可重构的高增益贴片天线的的反射系数曲线图；

图7为本发明的一种方向图可重构的高增益贴片天线的的效率和增益变化曲线图；

图8为本发明的一种方向图可重构的高增益贴片天线工作在TM

图9为本发明的一种方向图可重构的高增益贴片天线工作在TM

其中，1-辐射贴片，11-第一缝隙，12-第二缝隙，2-金属地板，3-第三介质层，4-第一探针，5-第二探针，6-第一金属片，7-第二金属片，8-SMA接头，9-塑料柱。

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。

实施例1

请参阅图1至图5，一种方向图可重构的高增益贴片天线，包括依次层叠的金属地板2、第一介质层、金属片层、第二介质层以及用于形成TM

辐射贴片1的两种工作状态分别谐振于TM

实施例2

在上述实施例结构基础上，所述直线过所述辐射贴片1中心，且均为第一缝隙11、所述第二缝隙12的中轴线；所述第一缝隙11的远离第二缝隙12端延伸至所述辐射贴片1的边沿，所述第二缝隙12的远离第一缝隙11端也延伸至所述辐射贴片1的边沿，使天线的性能更佳。

实施例3

在上述实施例结构基础上，所述直线与所述辐射贴片1的长边平行；天线的中心工作频率为λ；所述辐射贴片1的长边为A，宽边为B；所述第一缝隙11的长度与所述第二缝隙12的长度相等，均为C；所述第一缝隙11的宽度也与所述第二缝隙12的宽度相等，均为D，其中，0.5λ≤A≤λ，0.5λ≤B≤λ，0.1λ≤C<0.5λ，0

实施例4

在上述实施例结构基础上，所述辐射贴片1到金属地板2的距离为H，所述金属片层到金属地板2的距离为h，其中，H≤0.25λ，0

实施例5

在上述实施例结构基础上，为了使天线性能更佳，所述第一金属片6和所述第二金属片7的投影均落在所述辐射贴片1上，所述辐射贴片1的投影均落在所述金属地板2上。

实施例6

在上述实施例结构基础上，为了使天线性能更佳，所述第一金属片6与所述第二金属片7均为矩形，二者的边与所述辐射贴片1的边平行或垂直；所述第一探针4与所述第一金属片6的中心相接，所述第二探针5与所述第二金属片7的中心相接；所述第一金属片6中心落在辐射贴片1上的投影与所述第二金属片7中心落在辐射贴片1上的投影之间的连线过所述辐射贴片1的中心。

实施例7

在上述实施例结构基础上，所述第一介质层为空气或介质板；所述第二介质层为空气或介质板。

实施例8

在上述实施例结构基础上，还包括至少两个塑料柱9，所述辐射贴片1通过所述塑料柱9固定在所述金属地板2上。所述第一介质层和所述第二介质层均为空气时，较使用介质板作为第一介质层和/或第二介质层时的制作工艺更为简单，成本也更低。

实施例9

在上述实施例结构基础上，所述塑料柱9设置有偶数个，优选为四个；所述塑料柱9加载于所述辐射贴片1的电场最弱位置，且相邻的两加载位置之间均关于所述辐射贴片1的对称轴呈镜像对称。塑料柱9加载于辐射贴片1的电场最弱位置时，塑料柱9的加载基本不影响天线本身的性能。

实施例10

在上述实施例结构基础上，还包括用于支撑所述金属地板2的第三介质层3，所述第三介质层由介质板构成；所述第一探针4依次穿过所述第三介质层3、金属地板2后向所述第一金属片6馈电，所述第二探针5均依次穿过所述第三介质层3、金属地板2后向所述第二金属片7馈电。所述第一介质层和所述第二介质层均为空气时，为了控制成本，金属地板2厚度也较薄，易于变形。在远离辐射贴片1的一侧设置介质板，既起到支撑金属地板2的作用，又不影响天线的性能。

为了进一步论述本发明的有益效果，根据以下试验例进行测试：

试验例

请参阅图1至图5，一种方向图可重构的高增益贴片天线，包括依次层叠的第三介质层3、金属地板2、第一介质层、金属片层、第二介质层以及用于形成TM

所述直线均为第一缝隙11、所述第二缝隙12的中轴线，且与所述辐射贴片1的长边平行；所述第一缝隙11的远离第二缝隙12端延伸至所述辐射贴片1的边沿，所述第二缝隙12的远离第一缝隙11端也延伸至所述辐射贴片1的边沿。所述第一缝隙11和所述第二缝隙12关于所述辐射贴片1的中轴线呈镜像对称。

所述第一金属片6和所述第二金属片7的投影均落在所述辐射贴片1上，所述辐射贴片1的投影均落在所述金属地板2上。所述第一金属片6与所述第二金属片7均为矩形，二者的边与所述辐射贴片1的边平行或垂直；所述第一探针4与所述第一金属片6的中心相接，所述第二探针5与所述第二金属片7的中心相接；所述第一金属片6中心落在辐射贴片1上的投影与所述第二金属片7中心落在辐射贴片1上的投影之间的连线过所述辐射贴片1的中心。所述第一探针4依次穿过所述第三介质层3、金属地板2后向所述第一金属片4馈电，所述第二探针5均依次穿过所述第三介质层3、金属地板2后向所述第二金属片7馈电。

天线的中心工作频率为λ；所述辐射贴片1的长边为A=106mm，宽边为B=106mm；所述第一缝隙11的长度与所述第二缝隙12的长度相等，均为C=35mm；所述第一缝隙11的宽度也与所述第二缝隙12的宽度相等，均为D=2mm；所述辐射贴片1到金属地板2的距离为H=5mm，所述金属片层到金属地板2的距离为h=3.9mm；所述第一金属片6和所述第二金属片7的长边均为10mm，宽边均为9mm。

根据上述试验例结构进行测试，测试结果详见图6-图9：

图6展示的是本试验例中两个工作状态下天线的反射系数曲线图。从图6中可以看出，辐射贴片1在两个谐振模式下的谐振频率重合。当天线由一对共模信号激励时，天线工作在TM

图7是天线在TM

图8(a)是工作在TM

图9 (a)是工作在TM

综上所述，本发明提供的一种方向图可重构的高增益贴片天线，工作在TM

此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。