一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，缝隙天线包括一个“X”字形的主辐射缝隙，两个寄生缝隙和一个AMC表面。主辐射缝隙的电长度设置为约1‑λ，两个寄生缝隙分别加载了一个PIN二极管，使用AMC表面使天线辐射方向图具有定向性，同时减小后瓣辐射。本实用新型专利技术通过采用电长度为1‑λ的主辐射缝隙实现宽阻抗带宽，控制寄生缝隙上的两个PIN二极管可以在三个状态之间离散地切换辐射波束的主瓣方向，AMC表面可以使天线在低剖面高度情况下具有单向高增益和低后瓣的辐射方向图；无需占据大空间和较多元器件来实现波束离散扫描的效果，电路结构简单，设计简便，频带较宽，大小紧凑，成本较低。

A wideband beam controllable slot antenna based on artificial magnetic conductor

The utility model discloses a broadband beam-controlled slot antenna based on an artificial magnetic conductor. The slot antenna comprises an X-shaped main radiation slot, two parasitic slots and an AMC surface. The electric length of the main radiation slot is about 1_lambda. Two parasitic slots are loaded with a PIN diode. The AMC surface is used to orientate the radiation pattern of the antenna and reduce the back lobe radiation. The utility model realizes wide impedance bandwidth by adopting a main radiation slot with an electric length of 1_lambda, and controls two PIN diodes on the parasitic slot to discretely switch the main lobe direction of the radiation beam between three states. The AMC surface enables the antenna to have a one-way high gain and a low rear lobe radiation square at low profile height. Direction diagram; no need to occupy large space and multiple devices to achieve the effect of beam discrete scanning, circuit structure is simple, simple design, wider bandwidth, compact size, low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线
本技术涉及无线移动通信领域的天线研究领域，特别涉及一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线。
技术介绍
可控波束天线对信道环境具有灵活的适应性，可以扩大传送信号的覆盖范围。因此可应用于很多方面，比如卫星通信、雷达、遥感和WLAN等。在过去一段时间里，提出了大量的可控波束天线，主要基于五种方式，包括使用巴特勒矩阵、相控阵、可重构的电磁超表面、控制寄生元件和激励辐射体的不同工作模式。在这些模式中，使用相控阵和巴特勒矩阵是两种传统的方式。巴特勒矩阵具有低损耗、宽频带的优点，相控阵天线辐射性能好且光扫描较快。然而，使用相控阵和巴特勒矩阵实现方向图可重构往往需要激励多个辐射单元，天线整体结构非常笨重和复杂。为了解决这个问题，许多研究人员试图通过使用一种没有复杂的馈电网络的单个辐射单元、在固定频带中设计出可控波束天线。第一个方式是使用可重构的电磁超表面，波束扫描天线是通过控制辐射体周围的有源频率选择表面来实现的，可控波束天线设计依赖可重构电磁超表面的Fabry–Pérot腔。文献《R.Guzmán-Quirós,A.R.Weily,J.L.Gómez-TorneroandY.J.Guo,“AFabry–Pérotantennawithtwo-dimensionalelectronicbeamscanning,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.64,no.4,pp.1536-1541,Apr.2016.》中的设计可以实现超过10dBi的高增益，但是它们占据空间较大，而且需要很多的有源器件去控制单个单元的电磁超表面。有的设计中有源器件的数量甚至达到了大约240个，大大增加了制造成本和整体结构的复杂性。与使用可重构电磁超表面的方式相比，可控波束天线使用第二种方式来控制主要辐射体周围的寄生部分的尺寸和结构，从而调控辐射波束；PIN二极管通过控制准八木天线的控制体去实现波束调换，但是带宽被限制。这个设计在《P.Y.Qin,Y.J.GuoandC.Ding,“Abeamswitchingquasi-Yagidipoleantenna,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.61,no.10,pp.4891-4899,Oct.2013.》中也需要许多PIN二极管来实现可重构，以及许多集总电感和电容实现直流偏磁。第三，可控波束天线认为是辐射体的可重构结构。辐射体的形状改变是为了激活不同的工作模式，调谐辐射波束。然而，它们的运行带宽很窄。通过激励不同的馈电端口，辐射波束指向不同的方向，但它们都需要额外的馈电网络来实现波束扫描，增大了整体结构的复杂性。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，该天线可克服现有技术中带宽窄和结构复杂的缺陷。本技术的目的通过以下的技术方案实现：一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，缝隙天线分为上下两部分，上部分包括第一介质基板，在第一介质基板上方蚀刻一条馈电线，下方蚀刻主辐射缝隙和两个寄生缝隙，主辐射缝隙呈“X”字形，电长度设置为1-λ，λ表示波长，两个寄生缝隙中分别放置一个用于实现对辐射波束控制的PIN二极管；馈电线一端短路连接第一介质基板的底部金属平面，另一端与同轴电缆的内芯相连；下部分包括第二介质基板以及印刷在其上面的AMC(ArtificialMagneticConductors，人工磁导体)表面，第一介质基板、第二介质基板相平行，同轴线缆穿过AMC表面给主辐射缝隙馈电。本技术主辐射缝隙的电长度设置为1-λ可实现宽带性能，使用AMC表面使天线辐射方向图具有定向性，同时减小后瓣辐射。优选的，“X”字形的主辐射缝隙夹角为60°。大大减少了主辐射缝隙所占尺寸。优选的，两个寄生缝隙分别设置在第一介质基板底部金属平面的上部和下部，在寄生缝隙两端设有狭缝。上述两个狭缝将第一介质基板底部金属平面划分为上、中、下3个部分，狭缝用于直流隔离。更进一步的，在狭缝上放置有若干个电容器。以保持底部金属平面上RF电流的连续性。优选的，所述AMC表面由8×8的周期性贴片单元组成，可使辐射波束具有定向性，同时减小后瓣辐射。更进一步的，所述AMC表面与第一介质基板之间有0.2λ0～0.3λ0的距离，λ0为5.1GHz自由空间波长。优选的，其中一个PIN二极管D1的阳极通过第一介质基板底部金属平面的上部和控制电压V1连接，另一个PIN二极管D2的阳极和控制电压V2被添加在第一介质基板底部金属平面的下部，D1和D2电容器的阴极和底部金属平面的中间部分相连。通过上述布置可尽量减少集总元件和直流电路对天线RF性能的影响。优选的，第一介质基板、第二介质基板用若干根尼龙柱来固定。本技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本技术主辐射缝隙呈“X”字形，电长度设置为1-λ，该工作模式可实现宽阻抗带宽。2、本技术中在寄生缝隙中放置PIN二极管，通过该PIN二极管可以在三个状态之间离散地切换辐射波束的主瓣方向。3、本技术中缝隙天线分为上下两部分，在下部分第二介质基板上印刷AMC表面，可以使天线具有单向高增益和低后瓣的辐射方向图，同时确保了低剖面高度。4、本技术缝隙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，设计简便，频带较宽，大小紧凑，成本较低。附图说明图1是本技术实施例提供的一种简单的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线的示意图；图2(a)是本技术实施例提供的缝隙天线的俯视图；图2(b)是本技术实施例提供的缝隙天线的第一介质基板中金属地板示意图；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-频率的仿真结果图：图3(a)I状态；图3(b)II状态；图3(c)III状态；图4是本技术一个实施例提供的人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线在三种状态下5.1GHz处的仿真3D辐射方向图：图4(a)I状态；图4(b)II状态；图4(c)III状态；图5是本技术一个实施例提供的简单结构的人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线在I、II和III状态下分别在(a)4.9GHz、(b)5.1GHz、(c)5.3GHz、(d)5.5GHz处的E-面的仿真辐射方向图；图6是本技术一个实施例提供的简单结构的人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线分别在在I、II和III状态下(a)4.9GHz、(b)5.1GHz、(c)5.3GHz、(d)5.5GHz处的E-面的测试辐射方向图；图7是本技术实施例提供的波束的仿真主瓣方向；图8是本技术实施例提供的分别在I、II和III状态的最大增益曲线-频率的仿真结果图。具体实施方式下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。为了便于描述，下文和附图都将以宽频带波束可控缝隙天线为例来说明本技术实施例提供的缝隙天本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，缝隙天线分为上下两部分，上部分包括第一介质基板，在第一介质基板上方蚀刻一条馈电线，下方蚀刻主辐射缝隙和两个寄生缝隙，主辐射缝隙呈“X”字形，电长度设置为1‑λ，λ表示中心频率波长，两个寄生缝隙中分别放置一个用于实现对辐射波束控制的PIN二极管；馈电线一端短路连接第一介质基板的底部金属平面，另一端与同轴电缆的内芯相连；下部分包括第二介质基板以及印刷在其上面的AMC表面，第一介质基板、第二介质基板相平行，同轴线缆穿过AMC表面给主辐射缝隙馈电。

【技术特征摘要】
1.一种基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，缝隙天线分为上下两部分，上部分包括第一介质基板，在第一介质基板上方蚀刻一条馈电线，下方蚀刻主辐射缝隙和两个寄生缝隙，主辐射缝隙呈“X”字形，电长度设置为1-λ，λ表示中心频率波长，两个寄生缝隙中分别放置一个用于实现对辐射波束控制的PIN二极管；馈电线一端短路连接第一介质基板的底部金属平面，另一端与同轴电缆的内芯相连；下部分包括第二介质基板以及印刷在其上面的AMC表面，第一介质基板、第二介质基板相平行，同轴线缆穿过AMC表面给主辐射缝隙馈电。2.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，“X”字形的主辐射缝隙相互之间夹角为60°。3.根据权利要求1所述的基于人工磁导体的宽频带波束可控缝隙天线，其特征在于，两个寄生缝隙分别设置在第一介质基板底部金属平面的上部和下部，在寄生缝隙两端设有狭缝。4.根据权利要...

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