一种基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线制造技术

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术通过采用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。本实用新型专利技术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。

A Small Beam Controllable Patch Antenna Based on Reconfigurable Parasitic Unit

The utility model discloses a small beam controlled patch antenna based on a reconfigurable parasitic unit, which comprises an \E\ shaped main radiation patch and a parasitic patch on the left and right sides. The utility model reduces the electric length of the parasitic patch by adopting the CSRR structure, which is beneficial to the miniaturization of the parasitic patch. By providing different values of DC bias voltage to PIN diodes loaded on CSRR structure, the single parasitic unit can work in the two states of guide and reflector respectively. The combination of different states of left and right parasitic units can make the main lobe direction of antenna radiation beam discretely switching between 0 degree, 30 degree and 30 degree, thus realizing the beam controllability of antenna and effectively broadening the antenna. Beam scanning range. The utility model effectively increases the working bandwidth of the antenna by adopting the coaxially fed \E\ shaped main radiation patch and introducing the air layer structure between two dielectric plates, and has the advantages of high gain, high front-rear ratio and low profile.

【技术实现步骤摘要】
一种基于可重构寄生单元的小型波束可控贴片天线
本技术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。
技术介绍
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5GMIMO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.WangandD.E.Anagnostou,“Awide-anglescanningplanarphasedarraywithpatternreconfigurablemagneticcurrentelement,”IEEETrans.AntennasPropag.,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.WangandB.Z.Wang,“Compactsurface-waveassistedbeam-steerableantennabasedonHIS,”IEEETrans.AntennasPropag.,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％。
技术实现思路
本技术提出了一种利用CSRR(complementarysplit-ringresonator,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。本技术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。本技术中，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，本技术天线有8.8％的工作带宽。本技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本技术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、本技术在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、本技术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、本技术中主贴片选用了“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、本技术中贴片天线具有高增益、低剖面的优良性能。6、本技术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、本技术中电感元件的使用实现了RF电流的隔离。8、本技术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是本技术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是本技术实施例提供的贴片天线的俯视图；图2(a)是本技术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是本技术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是本实用新本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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，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。3.根据权利要求2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。4.根据权利要求3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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹云飞，刘楚钊，章秀银，韩欣洋，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44