一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线制造技术

本发明专利技术涉及一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，属天线设计领域。该天线包括上层介质基板，下层介质基板，三个相同的顶端加载的折叠单极子，馈电结构，同轴电缆和金属地板。本发明专利技术首先将顶端加载的贴片合理设计成扇形，使之可以集成在同一介质基板上以减小天线尺寸；然后在扇形贴片上刻蚀弧形槽进一步减小单极子单元的尺寸；最后巧妙地利用三个PIN开关二极管，使单极子交替作为激励振子和寄生振子，实现天线方向图可重构，这种交替的工作模式极大程度地减小了天线尺寸。本发明专利技术设计了一款具有三种方向图可重构模式，可实现水平方向360°扫描，同时兼具剖面低，结构紧凑的垂直极化天线。

A Compact Vertically Polarized Antenna with Low Profile and Reconfigurable Direction Patterns

The invention relates to a low profile compact vertical polarization antenna with reconfigurable pattern, belonging to the field of antenna design. The antenna consists of upper dielectric substrate, lower dielectric substrate, three folded monopoles loaded at the same top, feed structure, coaxial cable and metal floor. Firstly, the patch loaded at the top is reasonably designed as a sector so that it can be integrated on the same dielectric substrate to reduce the antenna size; secondly, the arc groove is etched on the sector patch to further reduce the size of the monopole unit; finally, three PIN switch diodes are ingeniously used to make the monopole alternately act as exciter and parasitic oscillator to realize the reconfigurable antenna pattern. The size of the antenna is greatly reduced by alternating operation modes. The invention designs a vertical polarization antenna with three pattern reconfigurable modes, which can realize horizontal 360 degree scanning, low profile and compact structure.

【技术实现步骤摘要】
一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线
本专利技术属于天线
，涉及一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线。
技术介绍
一方面，方向图可重构垂直极化天线在提高信噪比，减小多径效应，节约能量等方面具有极大优势；另一方面，垂直极化相对于水平极化而言，垂直极化方式不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，近年来方向图可重构垂直极化天线受到广泛关注。但在诸多之前的研究中，大多数可重构垂直极化天线采用在天线中间放置一个单极子天线单元作为激励振子，天线周围环绕数个寄生单极子单元，通过使用如PIN管，变容管等有源器件进行控制，选取部分寄生单极子与激励振子构成八木天线，形成端射波束，来实现天线的方向图可重构，当天线工作在某个端射状态时，总有寄生单极子处于空闲状态，这无疑造成了天线空间利用率低，导致天线尺寸大，不利于天线的安装使用。如今，无限通信系统正朝着小型化发展，可用于天线安装的空间也在不断缩减，设计具有良好辐射特性的结构简单，剖面低，结构紧凑的方向图可重构垂直极化天线是必然趋势也是难点。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线。本专利技术首先将顶端加载的贴片形状合理设计成扇形，使之可以集成在同一介质基板上以减小天线尺寸；然后在扇形贴片上刻蚀弧形槽进一步减小顶端加载的折叠单极子单元的尺寸；最后通过控制馈电结构上加载的PIN开关二极管的通断，选取其中一个顶端加载的折叠单极子作为激励振子，其余两个顶端加载的折叠单极子均作为寄生振子构成反射器，利用八木天线原理在通带内实现良好的端射辐射方向图，通过巧妙地利用三个PIN开关二极管，使顶端加载的折叠单极子交替作为激励振子和寄生振子，实现天线方向图可重构，这种交替的工作模式极大程度地减小了天线尺寸。从而设计出一款具有三种方向图可重构模式，可实现水平方向360°扫描，同时兼具剖面低，结构紧凑的垂直极化天线。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，包括上层介质基板(1)、下层介质基板(2)、顶端加载的折叠单极子(3)、馈电结构(4)、同轴电缆(5)和大地板(6)。所述上层介质基板(1)与下层介质基板(2)平行且彼此隔开放置，下层介质基板(2)位于上层介质基板(1)下方；所述顶端加载的折叠单极子(3)由带有弧形槽的扇形贴片(7)、激励铜柱(8)和短路铜柱(9)组成；所述馈电结构(4)由三条支路组成，馈电结构中心与同轴电缆(5)内导体相连。每条支路由若干金属贴片、一个电容(10)、一个PIN开关二极管(11)和两个绕线电感(12)组成，外加直流偏置电源实现电可控方向图可重构；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过印制电路板技术印制在上层介质基板(1)的上表面；馈电结构印制在下层基板上表面，下层基板下表面敷铜箔，铜箔与同轴电缆(5)外导体相连，且与大地板(6)相连；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过激励铜柱(8)与馈电结构(4)相连，且通过短路铜柱与下层基板(2)下表面铜箔(地)相连。进一步，所述介质基板的半径均为24mm，厚度均为0.76mm，两介质基板相距4.98mm。进一步，所述顶端加载的折叠单极子(3)完全相同，一方面将顶端加载的贴片合理设计成扇形，使之可以集成在同一介质基板上以减小天线尺寸；另一方面在扇形贴片上刻蚀弧形槽进一步减小顶端加载的折叠单极子单元的尺寸。进一步三个所述带有弧形槽的扇形贴片(7)均匀分布在上层基板(1)上表面，扇形贴片之间间隔距离为6mm。进一步，所述带有弧形槽的扇形贴片(7)的弧形槽内半径为20mm，弧形槽宽度为2.2mm，弧形槽末端距离扇形边缘3mm。进一步，所述激励铜柱(8)竖直放置，长度为5.74mm，其中心距离天线中心8.5mm，连接扇形贴片与馈电结构；所述短路铜柱(9)竖直放置，长度为6.5mm，其中心距离天线中心13.8mm，连接扇形贴片与下层介质基板下表面的铜箔(地)。进一步所述馈电结构(4)由夹角为120°的三条支路构成，三条支路完全相同，三条支路对应放置在扇形贴片正下方，每条支路由若干金属条带、一个电容(10)、一个PIN开关二极管(11)和两个绕线电感(12)组成，两个电感分别位于与PIN开关二极管正极和负极相连的金属条带旁。通过在馈电结构上巧妙地利用三个PIN开关二极管，使顶端加载的折叠单极子交替作为激励振子和寄生振子，实现三种可重构的端射辐射模式状态1、状态2和状态3，三种模式主波束朝向对应的顶端加载折叠单极子，通过电控开关实现三种模式实时切换，可实现水平面360°全方位扫描。具体地，如图1所示，当选中位于-y轴的PIN开关二极管导通，其余两个PIN开关二极管断开时，位于-y轴的与选中的PIN开关二极管支路相连的顶端加载的折叠单极子即作为激励振子，与断开的PIN开关二极管支路相连的单极子即作为寄生振子构成反射器，天线的主波束朝着激励振子方向(-y轴)，将此状态命名为状态1；状态1顺时针旋转120°可得到的状态命名为状态2；状态1逆时针旋转120°可得到的状态命名为状态3。进一步，所述同轴电缆(5)的内导体接于馈电结构中心，外导体接于下层介质基板下表面铜箔上。进一步，所述大地板(6)为半径30cm的铜板，且与下层介质基板(2)下表面铜箔相连。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明为使本专利技术的目的、技术方案和实验结果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术：附图中的各附图标记分别为：1-上层介质基板，2-下层介质基板，3-顶端加载的折叠单极子，4-馈电结构，5-同轴电缆，6-金属地板，7-带有弧形槽的扇形贴片，8-激励铜柱，9-短路铜柱，10-电容，11-PIN开关二极管，12-绕线电感；图1为本专利技术所述天线的整体结构三维视图；图2为本专利技术天线的上层介质基板俯视图；图3为本专利技术天线的下层介质基板俯视图；图4为本专利技术天线在三种方向图可重构状态下的仿真和测试S参数曲线图；图5为本专利技术天线在第一个谐振点时E面及H面仿真和测试的二维辐射方向图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的说明。图1为本专利技术所述方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线的整体结构三维视图，如图1所示，该天线包括上层介质基板(1)、下层介质基板(2)、三个完全相同的顶端加载的折叠单极子(3)、馈电结构(4)、同轴电缆(5)和大地板(6)。如图1所示，所述上层介质基板(1)与下层介质基板(2)平行且彼此隔开放置，下层介质基板(2)位于上层介质基板(1)正下方。两介质基板均采用TaconicRF-35，其相对介电常数为3.5，损耗角正切为0.0018，基板半径均为24mm，厚度均为0.76mm，两介质基板相距4.98mm。所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过印制电路板技术印制在上层介质基板(1)的上表面，馈电结构印制在下层基板上表面，下层基板下表面敷铜箔，铜箔与同轴电缆(5)外导体相连，且与大地板(6)相连。如图1和图2所示，所述顶端加载的折叠单极子(3)由带有弧形槽的扇形贴片(7)、激励铜柱(8)和短路铜柱(9)组成。所述带有弧形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特点在于：包括上层介质基板(1)、下层介质基板(2)、顶端加载的折叠单极子(3)、馈电结构(4)、同轴电缆(5)和大地板(6)。所述上层介质基板(1)与下层介质基板(2)平行且彼此隔开放置，下层介质基板(2)位于上层介质基板(1)正下方；所述顶端加载的折叠单极子(3)由带有弧形槽的扇形贴片(7)、激励铜柱(8)和短路铜柱(9)组成；所述馈电结构(4)由夹角为120°的三条支路组成，馈电结构中心与同轴电缆(5)内导体相连。每条支路由若干金属贴片、一个电容(10)、一个PIN开关二极管(11)和两个绕线电感(12)组成，外加直流偏置电源实现电可控方向图可重构；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过印制电路板技术印制在上层介质基板(1)的上表面；馈电结构(4)印制在下层基板上表面；下层基板下表面敷铜箔，铜箔与同轴电缆(5)外导体相连，且与大地板(6)相连；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)，一方面被合理设计成扇形，使三个贴片可以集成在同一介质基板上以减小天线尺寸；另一方面在扇形贴片上刻蚀弧形槽进一步减小顶端加载的折叠单极子单元的尺寸；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过激励铜柱(8)与馈电结构(4)相连，且通过短路铜柱(9)与下层基板(2)下表面铜箔(地)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特点在于：包括上层介质基板(1)、下层介质基板(2)、顶端加载的折叠单极子(3)、馈电结构(4)、同轴电缆(5)和大地板(6)。所述上层介质基板(1)与下层介质基板(2)平行且彼此隔开放置，下层介质基板(2)位于上层介质基板(1)正下方；所述顶端加载的折叠单极子(3)由带有弧形槽的扇形贴片(7)、激励铜柱(8)和短路铜柱(9)组成；所述馈电结构(4)由夹角为120°的三条支路组成，馈电结构中心与同轴电缆(5)内导体相连。每条支路由若干金属贴片、一个电容(10)、一个PIN开关二极管(11)和两个绕线电感(12)组成，外加直流偏置电源实现电可控方向图可重构；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过印制电路板技术印制在上层介质基板(1)的上表面；馈电结构(4)印制在下层基板上表面；下层基板下表面敷铜箔，铜箔与同轴电缆(5)外导体相连，且与大地板(6)相连；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)，一方面被合理设计成扇形，使三个贴片可以集成在同一介质基板上以减小天线尺寸；另一方面在扇形贴片上刻蚀弧形槽进一步减小顶端加载的折叠单极子单元的尺寸；所述带有弧形槽的扇形贴片(7)通过激励铜柱(8)与馈电结构(4)相连，且通过短路铜柱(9)与下层基板(2)下表面铜箔(地)相连。2.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特征在于：所述上层介质基板(1)与下层介质基板(2)的半径均为24mm，厚度均为0.76mm。3.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的低剖面紧凑垂直极化天线，其特征在于：所述顶端加载的折叠单极子(3)完全相同，其顶端加载的三个带有弧形槽的扇形贴片均匀地分布在上层基板(1)上表面，扇形贴片(7)之间间隔距离为6mm。4.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的低剖面...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐明春，段云露，武震天，陈晓明，李梅，李道通，熊汉，理查德齐奥尔科夫斯基，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50