水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線的製作方法

2023-09-20 13:38:15

水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線的製作方法
【專利摘要】本發明提出了一種水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線，天線包括帶饋電輸入口的絕緣基板，設於基板下表面的金屬接地板，設於基板上表面的發射體及其控制電路、饋電貼片，以饋電貼片為中心將絕緣基板等分為六個區域，每個區域內分設一控制電路，控制電路通過一隔直電容連接中心饋電貼片，另一端通過一饋線連接一發射體，從而每個區域內分別組成一相對獨立的單元天線。本發明通過波束切換覆蓋整個天線所在平面，實現了天線所在平面上的全覆蓋，並且每個波束的工作狀態除輻射方向不一樣，其餘參數一致，所以本發明天線工作狀態穩定。
【專利說明】水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線
【技術領域】
[0001]本發明屬於電子【技術領域】，特別涉及帶有PIN 二極體開關的波束可切換天線技術。
【背景技術】
[0002]由于越來越多的信息內容需要傳輸，現代通信系統對無線通信中的信息傳輸速率要求也越來越高，但是由於多徑衰落的存在，數據傳輸速率隨著信號傳輸距離的增加而減小。大量研究表明，恰當使用可切換波束的天線是一條解決此問題的途徑。方向圖可重構天線能根據通信環境的變化實時改變發射和接收天線的方向圖，從而有效減弱噪聲幹擾，對抗多徑衰落，提高信息傳輸速率。
[0003]文獻「一種方向圖可重構引向器開槽的印製準八木天線」(Nan Liu, AnguoWang, Jing Pe1.A pattern reconfigurable printed quasi—Yagi antenna with slots inthe directors[C].20109th International Symposium on Antennas Propagation and EMTheory (ISAPE) ,Nov.292010-Dec.22010:275-278)設計了一種主波束可以指向四個不同方向的可重構天線(如圖1)。該天線包括絕緣基板、印製在基板下表面的金屬接地板、印製在基板上表面的分別朝四個不同方向的準八木單元天線，饋電點設於天線正中心，採用同軸饋線從天線下表面經饋電點對各單元天線進行饋電，饋電點四周分別設置四個開關，各開關另一端對應連接一個準八木天線，通過切換開關，使不同的單元天線工作以達到切換波束方向的目的。此天線可以在天線所在平面內的四個方向實現波束切換，但是由於該天線的每種波束狀態的E面3dB波束寬度約為60°，所以在該平面存在約120°的盲區，並不能實現天線所在平面上的全覆蓋。

【發明內容】

[0004]本發明提出了一種水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線，使天線通過波束切換覆蓋整個天線所在平面，並且設計了具體可行的波束開關控制電路。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的，天線包括帶饋電輸入口的絕緣基板，設於基板下表面的金屬接地板，設於基板上表面的發射體及其控制電路、饋電貼片，其特徵在於以饋電貼片為中心將絕緣基板等分為六個區域，在每個區域內分別設置一控制電路，控制電路分別通過一隔直電容連接中心饋電貼片，另一端通過一饋線連接一發射體，從而每個區域內分別組成一相對獨立的單元天線；所述金屬接地板為正六邊形接地板，中心固定連接同軸電纜外導體，內導體穿過絕緣基板與上層饋電貼片連接。
[0006]所述控制電路由饋電貼片到發射體依次設置隔直電容、PIN 二極體、貼片饋線；隔直電容與PIN 二極體接點處通過一接地電感與金屬地板連接，相鄰單元天線通過高阻抗饋線使用同一接地電感，貼片饋線上另外設置一條依次連接電感和降壓電阻的支路。
[0007]所述發射體為準八木單元天線，每個準八木單元天線由兩個驅動振子及1-5個引向器組成，兩個驅動振子分設於基板下表面和上表面，下層驅動振子通過一饋線與地板連接，上層驅動振子通過一饋線與控制電路的貼片饋線連接，且兩驅動振子位於饋線的兩側；所述引向器位於基板的上表面，平行於驅動振子。
[0008]所述饋電貼片為一個小型的六邊形金屬貼片或圓形金屬貼片。
[0009]所述絕緣基板為正六邊形或圓形。
[0010]所述饋電貼片、饋線、貼片饋線、驅動振子、引向器及金屬接地板刻蝕或印刷於絕緣基板，電感、電容、電阻、PIN 二極體通過金屬貼片焊盤連接。
[0011]本發明天線設計了偏置電路，低壓直流控制信號源的正極連接在降壓電阻一端，負極連接在地板上；在貼片饋線的一側連接的電感，以阻止饋電點發出的射頻信號進入直流控制信號源，電感的另一端連接的降壓電阻，以防止直流控制信號電壓過高燒壞PIN 二極體；隔直電容起到阻止控制PIN二極體通斷的直流信號流進饋電點的作用。工作時，當六個PIN 二極體中的其中一個導通時，低壓直流信號即通過饋線傳輸到與該二極體相連的發射體上，產生一個輻射波束。本發明天線包括六個相對獨立的單元天線，每個單元天線的E面3dB波束寬度約為60°，所以在該平面不存在盲區，實現了天線所在平面上的全覆蓋，並且每個波束的工作狀態除輻射方向不一樣，其餘參數一致，所以本發明天線工作狀態穩定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為【背景技術】一種方向圖可重構引向器開槽的印製準八木天線的示意圖；
[0013]圖2為本發明實施例的正面示意圖；
[0014]圖3為本發明實施例的背面示意圖；
[0015]圖4為本發明實施例的側面結構示意圖；
[0016]圖5為本發明實施例的回波損耗；
[0017]圖6 Ca)為本發明實施例的一個工作模式的3D方向圖；
[0018]圖6 (b)為本發明實施例的一個工作模式的H面方向圖；
[0019]圖6 (C)為本發明實施例的一個工作模式的E面方向圖。
[0020]圖7為本發明實施例在工作頻帶內的增益。
[0021]圖中:1.PIN二極體，2.降壓電阻，3.電感，4.隔直電容，5.下表面驅動振子，6.上表面驅動振子，7.引向器，8.貼片饋線，9.饋線，10.高阻抗線，11.饋電貼片，12.金屬接地板，13.絕緣基板，14.同軸饋線，15.焊盤。
【具體實施方式】
[0022]本實施例以中心工作頻率為在5.5GHz的水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線為例。
[0023]如圖2、圖3、圖4所示，絕緣基板13為相對介電常數2.65、厚度0.8mm、邊長72mm的聚四氟乙烯正六邊形基板，金屬接地板12為邊長32mm的與絕緣基板對應的正六邊形接地板，中心正六邊形饋電貼片11邊長為3_，貼片饋線8 (長X寬)為19.5X4.4_，饋線9(長X寬)為8X0.7mm，高阻抗線10 (長X寬)為11 X0.4mm，驅動振子5、6 (長X寬)為12.2 X 1.8mm，引向器7 (長X寬)從內到外依次為15.4 X 2mm、14 X 2mm、11.7 X 2mm，各引向器之間的距離均為2mm，且引向器和驅動振子6之間的距離也為2mm，各焊盤15尺寸(長X寬)均為2X2mm。所述饋電貼片、饋線、貼片饋線、驅動振子、引向器、焊盤及金屬接地板均為印刷於絕緣基板上厚度為0.07mm的金屬銅。電感3的值為ImH，降壓電阻2的阻值為
2.2kQ,隔直電容4的值為10pF，同軸饋線14的特性阻抗為50 Ω。
[0024]將5V的直流電源的負極連接在金屬接地板12上，正極連接在降壓電阻的一端，利用直流電源控制PIN二極體I的通斷，當二極體的其中一個導通而其他的均截止時，即為一種天線工作模式，所以此天線陣共有六種工作模式，每種工作模式對應一個波束指向。由於天線結構對稱，六種工作模式下的回波損耗和增益相同。如圖5所示，本實施例天線的工作頻段為5.35GHZ-5.70GHz。圖6 (a)為實施例的一個工作模式的3D方向圖，圖6 (b)顯示天線一種波束模式的H面3dB波瓣寬度為123.9°，圖6 (c)顯示E面內3dB波瓣寬度為65.6°，所以切換六種模式可以無盲區的覆蓋天線所在平面。圖7顯示本實施例天線在工作頻段內增益為6.25dB1-6.65dBi，所以天線的增益平穩。
[0025]綜上所述，本發明實現了通過切換PIN 二極體開關切換波束，使天線在天線所在平面進行全向掃描，且天線增益平穩、各種工作狀態穩定。
【權利要求】
1.一種水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線，包括帶饋電輸入口的絕緣基板，設於基板下表面的金屬接地板，設於基板上表面的發射體及其控制電路、饋電貼片，其特徵在於以饋電貼片為中心將絕緣基板等分為六個區域，在每個區域內分別設置一控制電路，控制電路分別通過一隔直電容連接中心饋電貼片，另一端通過一饋線連接一發射體，從而每個區域內分別組成一相對獨立的單元天線；所述金屬接地板為正六邊形接地板，中心固定連接同軸電纜外導體，內導體穿過絕緣基板與上層饋電貼片連接。
2.如權利要求1所述的水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線，其特徵在於所述控制電路由饋電貼片到發射體依次設置隔直電容、PIN 二極體、貼片饋線；隔直電容與PIN二極體接點處通過一接地電感與金屬地板連接，相鄰單元天線通過高阻抗饋線使用同一接地電感，貼片饋線上另外設置一條依次連接電感和降壓電阻的支路。
3.如權利要求1所述的水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線，其特徵在於所述發射體為準八木單元天線，每個準八木單元天線由兩個驅動振子及1-5個引向器組成，兩個驅動振子分設於基板下表面和上表面，下層驅動振子通過一饋線與地板連接，上層驅動振子通過一饋線與控制電路的貼片饋線連接，且兩驅動振子位於饋線的兩側；所述引向器位於基板的上表面，平行於驅動振子。
4.如權利要求1所述的水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線，其特徵在於所述饋電貼片為一個小型的六邊形金屬貼片或圓形金屬貼片。
5.如權利要求1所述的水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線，其特徵在於所述絕緣基板為正六邊形或圓形。
6.如權利要求1所述的水平範圍內可切換波束全向掃描的平面天線，其特徵在於所述饋電貼片、饋線、貼片饋線、驅動振子、引向器及金屬接地板刻蝕或印刷於絕緣基板，電感、電容、電阻、PIN 二極體通過金屬貼片焊盤連接。
【文檔編號】H01Q3/24GK103700942SQ201310753117
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】王任, 王秉中, 丁霄 申請人:電子科技大學