CN104836025B - 一种小型的极化可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型的极化可重构天线，包括若干纵横方向二维阵列排布的天线单元，所述每个天线单元包括两个馈电端口，所述各天线单元通过第一等相位等幅度功分器连接所述天线单元的一个馈电端口，形成子阵列；所述各天线单元通过第二等相位等幅度功分器连接所述天线单元的另一个馈电端口，形成正交旋向的阵列；所述第一等相位等幅度功分器和第二等相位等幅度功分器通过一分二开关与信号馈入端口连接。本发明具备该天线具有体积小，实现简单，便于集成等优点，且为可以在一副天线上可以实现左旋和右旋的多功能天线。

Description

一种小型的极化可重构天线

技术领域

本发明属于天线技术，尤其涉及一种极化可重构圆极化天线。

背景技术

天线是许多微波毫米波系统必不可少的组件，随着现代通信系统的快速发展，对天线的小尺寸、低成本、高平面集成度和较高的多功能有着迫切的需求。可重构天线与传统天线相比，具有尺寸小，重量轻，易于分集等优点。由于现代单层PCB工艺十分成熟，在不是十分高的频段内，加工精度也十分有保证，同时加工的产品可以拥有低轮廓、小体积、高集成度的特性，有利于天线的大规模生产与应用。因此，使用单层PCB工艺的极化可重构天线在低轮廓、高集成度以及降低成本上都有很现实的意义。

天线作为一种用来发射和接收无线电波的部件，在无线通信系统中起到了举足轻重的作用，是无线通信系统中不可缺少的组成部分。随着无线通信系统地飞速发展，对天线的要求也越来越高。一方面，需要天线能够具有多种工作模式并具有良好的传输性能，另一方面，又要减轻天线的重量，减小天线体积并降低成本。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种小型的极化可重构天线，是一种便于平面集成，结构简单，尺寸小，实现简单，可以在一副天线上可以实现左旋和右旋的多功能天线。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种小型的极化可重构天线，其特征在于：包括若干纵横方向二维阵列排布的天线单元，所述每个天线单元包括两个馈电端口，所述各天线单元通过第一等相位等幅度功分器连接所述天线单元的一个馈电端口，形成子阵列；所述各天线单元通过第二等相位等幅度功分器连接所述天线单元的另一个馈电端口，形成正交旋向的阵列；所述第一等相位等幅度功分器和第二等相位等幅度功分器通过一分二开关与信号馈入端口连接。

进一步的，所述天线单元包括介质基片、上金属层、下金属层和若干金属通孔，所述介质基片设置在上金属层和下金属层之间，所述金属通孔贯穿介质基片，且上、下两端分别连接上金属层和下金属层，所述各金属通孔阵列式排布成谐振腔。

进一步的，所述谐振腔的轮廓为方形。

进一步的，所述天线单元的工作模式为谐振腔的高次简并模式TE120和TE210模式。

进一步的，所述天线单元的两个馈电端口设置在上金属层上，所述馈电端口蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线，所述有限接地共面波导传输线作为天线单元的馈电结构。

进一步的，所述下金属层上谐振腔的四周蚀刻出四条宽度相同但长度不同的缝隙作为辐射缝隙，所述辐射缝隙作为天线单元的辐射结构。

进一步的，所述天线单元上的两个馈电端口相位相差90度。

进一步的，所述第一等相位等幅度功分器通过多个修正的第一威尔金森功分器分别串接对应天线单元，所述第二等相位等幅度功分器通过多个修正的第二威尔金森功分器分别串接对应天线单元。

进一步的，纵向的天线单元通过对应的修正的第一威尔金森功分器与对应的天线单元的其中一个馈电端口串联方式组成子阵列，然后将串联后的子阵列在横向上通过第一等相位等幅度功分器并联为一体；同样的，首先纵向的天线单元通过对应的修正的第二威尔金森功分器与天线单元的另一个馈电端口串联方式组成子阵列，然后将串联后的子阵列在横向上通过第二等相位等幅度功分器并联为一体。

进一步的，所述第一等相位等幅度功分器和第二等相位等幅度功分器均为修正的威尔金森功分器。

有益效果：本发明的优点如下：

1、整个天线单元主要有金属层和金属化通孔组成，整个结构可以用传统的PCB或LTCC工艺来实现；

2、该天线能通过一分二开关实现左旋和右旋两种圆极化方式，能简单的实现小型化可重构天线；

3、该天线尺寸小、实现简单、加工方便、轮廓低、便于集成。

附图说明

图1为一种极化可重构天线里天线单元的主视结构示意图；

图2为天线单元的后视结构示意图；

图3为2×2极化可重构天线阵列的主视结构示意图；

图4为图3所示极化可重构天线阵列的后视结构示意图；

图5为金属化通孔的剖视结构示意图；

图6为天线仿真和测试的一分二开关分别开向一边时的回波损耗|S₁₁|；

图7为实测天线在频率5.9GHz时右旋的总的增益方向图；

图8为实测天线在频率5.9GHz时左旋的总的增益方向图；

图9为在法向方向上，实测右旋天线随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系图；

图10为在法向方向上，实测左旋天线随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系图。

图11为在法向方向上，实测天线主极化和交叉极化的电平相对值图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、2所示为一种小型的极化可重构天线，包括若干纵横方向拓展的二维阵列排布的天线单元，所述每个天线单元包括两个馈电端口，所述天线单元上的两个馈电端口相位相差90度，所述各天线单元通过第一等相位等幅度功分器51连接所述天线单元的一个馈电端口，形成子阵列；所述各天线单元通过第二等相位等幅度功分器52连接所述天线单元的另一个馈电端口，形成正交旋向的阵列。所述第一等相位等幅度功分器51和第二等相位等幅度功分器52通过一分二开关与信号馈入端口9连接。所述信号馈入端口9通过一分二开关选择性馈入天线单元的不同馈电端口，从而控制天线单元的旋向。

具体的，所述第一等相位等幅度功分器51通过多个修正的第一威尔金森功分器61分别串接对应天线单元，所述第二等相位等幅度功分器52通过多个修正的第二威尔金森功分器62分别串接对应天线单元。所述第一等相位等幅度功分器51和第二等相位等幅度功分器52均为修正的威尔金森功分器。

具体拓展方式如图3、图4所示2×2极化可重构天线阵列，首先纵向天线单元通过对应的修正的第一威尔金森功分器61与对应的天线单元的其中一个馈电端口串联方式组成子阵列，然后将串联后的子阵列在横向上通过第一等相位等幅度功分器51并联为一体；同样的，首先纵向的天线单元通过对应的修正的第二威尔金森功分器62与天线单元的另一个馈电端口串联方式组成子阵列，然后将串联后的子阵列在横向上通过第二等相位等幅度功分器52并联为一体。所述第一等相位等幅度功分器51和第二等相位等幅度功分器52通过相应长度的接地共面波导传输线71、72弥补串联天线单元之间的相位差。

基于上述，如图5所示，所述天线单元包括介质基片1、上金属层21、下金属层22和若干金属通孔，所述介质基片1设置在上金属层21和下金属层22之间，所述金属通孔贯穿介质基片1，且上、下两端分别连接上金属层21和下金属层22，所述各金属通孔阵列式排布成谐振腔4。所述谐振腔4的轮廓为方形，所述天线单元的工作模式为谐振腔4的高次简并模式TE120和TE210模式，谐振腔4轮廓具体尺寸根据所述高次简并模式进行计算。

所述天线单元的两个馈电端口设置在上金属层21上，所述馈电端口蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线2(FG-CPW)，所述有限接地共面波导传输线2作为天线单元的馈电结构。所述下金属层22上谐振腔4的四周蚀刻出四条宽度相同但长度不同的缝隙作为辐射缝隙3，所述辐射缝隙3作为天线单元的辐射结构。所述一分二开关决定天线的馈电口，从而决定天线的极化方式。

本发明中，基于方形的基片集成波导背腔圆极化天天线单元别从四个角方向进行馈电时，相位依次相差90度，因此通过相邻端口馈电时辐射场相位相差90度，组成的阵列通过功分器连接后整个天线阵列的场相位也相差90度，从而实现圆极化天线的左旋和右旋。

基于本发明思想，利用PCB工艺制作圆极化天线，并进行相关测试：图6为该天线阵列的仿真和测试的回波损耗|S₁₁|；图7为实测天线在频率5.9GHz的右旋的总的增益方向图；图8为实测天线在频率5.9GHz左旋的总的增益方向图；图9为在法向方向上，实测右旋天线随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系；图10为在法向方向上，实测左旋天线随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系；图11为在法向方向上，实测天线主极化和交叉极化的电平相对值。测试表明，天线单元同时具有左旋和右旋的极化特性，满足较好的圆极化特性，较低的交叉极化电平，且轮廓低、体积小、实现简单。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种小型的极化可重构天线，其特征在于：包括若干纵横方向二维阵列排布的天线单元，所述每个天线单元包括两个馈电端口，所述各天线单元通过第一等相位等幅度功分器（51）连接所述天线单元的一个馈电端口，形成子阵列；所述各天线单元通过第二等相位等幅度功分器（52）连接所述天线单元的另一个馈电端口，形成正交旋向的阵列；所述第一等相位等幅度功分器（51）和第二等相位等幅度功分器（52）通过一分二开关与信号馈入端口（9）连接；

所述天线单元包括介质基片（1）、上金属层（21）、下金属层（22）和若干金属通孔，所述介质基片（1）设置在上金属层（21）和下金属层（22）之间，所述金属通孔贯穿介质基片（1），且上、下两端分别连接上金属层（21）和下金属层（22），所述各金属通孔阵列式排布成谐振腔（4）；

所述谐振腔（4）的轮廓为方形；

所述下金属层（22）上谐振腔4的四周蚀刻出四条宽度相同但长度不同的缝隙作为辐射缝隙（3），所述辐射缝隙（3）作为天线单元的辐射结构；

所述天线单元上的两个馈电端口相位相差90度。

2.根据权利要求1所述一种小型的极化可重构天线，其特征在于：所述天线单元的工作模式为谐振腔（4）的高次简并模式TE120和TE210模式。

3.根据权利要求1所述一种小型的极化可重构天线，其特征在于：所述天线单元的两个馈电端口设置在上金属层（21）上，所述馈电端口蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线（2），所述有限接地共面波导传输线（2）作为天线单元的馈电结构。

4.根据权利要求1所述一种小型的极化可重构天线，其特征在于：所述第一等相位等幅度功分器（51）通过多个修正的第一威尔金森功分器（61）分别串接对应天线单元，所述第二等相位等幅度功分器（52）通过多个修正的第二威尔金森功分器（62）分别串接对应天线单元。

5.根据权利要求4所述一种小型的极化可重构天线，其特征在于：纵向的天线单元通过对应的修正的第一威尔金森功分器（61）与对应的天线单元的其中一个馈电端口串联方式组成子阵列，然后将串联后的子阵列在横向上通过第一等相位等幅度功分器（51）并联为一体；同样的，首先纵向的天线单元通过对应的修正的第二威尔金森功分器（62）与天线单元的另一个馈电端口串联方式组成子阵列，然后将串联后的子阵列在横向上通过第二等相位等幅度功分器（52）并联为一体。

6.根据权利要求4所述一种小型的极化可重构天线，其特征在于：所述第一等相位等幅度功分器（51）和第二等相位等幅度功分器（52）均为修正的威尔金森功分器。