一種基於Koch分形貼片的方向圖可重構天線的製作方法

2023-09-24 00:35:45 2

本發明涉及一種貼片天線，更特別地說，是指一種基於分形貼片的方向圖可重構天線。
背景技術：
：因為可重構天線能根據人們的需求改變天線結構，實現不同的功能，在一個天線上實現多工作模式，不僅節省了天線的製造成本，而且節約了空間，因此是具有非常巨大潛力的新型研究領域。而因為分形天線的自相似性和空間填充性的特點，使分形天線也具有很好的應用前景。微帶天線是一維平面結構，體積小，重量輕，能與載體表面共形，易於與有源電路集成為一個統一組件，因此可以利用印刷電路大規模生產，且具有加工簡便、成本低的優點。現有的可重構天線大多為微帶貼片天線，但是存在方向圖模式少，空間覆蓋範圍小的問題，且微帶天線的特性又使可重構微帶天線存在工作頻段較窄的問題，現有的可重構微帶貼片天線的工作頻段大多不超過1ghz。基於分形技術的可重構微帶天線的研究成果較少，通過調研，方向圖模式大多為兩個，且空間覆蓋範圍較小，僅能實現不到180度的覆蓋範圍。技術實現要素：本發明設計了一種方向圖可重構天線，屬於天線
技術領域：
，涉及微帶貼片天線。此方向圖可重構天線是基於天線的分形技術和pin二極體開關實現的。天線結構包括採用覆銅技術製作在介質板上的三個寄生輻射貼片單元和三個矩形饋線段；三個矩形饋線段的接合處為饋電端，且三個矩形饋線段以饋電端為圓心呈120度分布設置。所述寄生輻射貼片單元採用二階koch分形結構。所述介質板形狀由一個三角形基板截去三個頂角得到，使之與寄生輻射貼片單元成對稱結構。本發明天線採用同軸背饋的形式，饋電點位於整體結構的幾何中心。在本發明中，通過控制三個pin二極體開關的通斷控制不同的寄生貼片參與能量輻射，改變表面電流分布，從而得到不同的輻射方向圖。本發明能實現h面方向圖360度全覆蓋，且能在雙頻段範圍內工作。本發明設計了一種基於koch分形貼片的方向圖可重構天線，該天線包括有寄生輻射貼片單元(1、2、3)、饋線段(8a、8b、8c)、饋電端(8)、介質板(7)和接地板(9)；寄生輻射貼片單元(1、2、3)和饋線段(8a、8b、8c)採用覆銅技術製作在介質板(7)的一面板上，介質板(7)的另一面板上採用覆銅技術製作有接地板(9)；該天線的底端為平滑端面；a饋線段(8a)、b饋線段(8b)與c饋線段(8c)的一端重合，重合點為饋電端(8)的端點；a饋線段(8a)、b饋線段(8b)與c饋線段(8c)的另一端以饋電端(8)的端點呈120度設置；並且a饋線段(8a)的另一端通過第一pin二極體開關(4)的通斷來實現a饋線段(8a)的另一端與a寄生輻射貼片單元(1)的通斷；a寄生輻射貼片單元(1)的a連接邊(1a)與第一pin二極體開關(4)焊接；b饋線段(8b)的另一端通過第二pin二極體開關(5)的通斷來實現b饋線段(8b)的另一端與b寄生輻射貼片單元(2)的通斷；b寄生輻射貼片單元(2)的b連接邊(2a)與第二pin二極體開關(5)焊接；c饋線段(8c)的另一端通過第三pin二極體開關(6)的通斷來實現c饋線段(8c)的另一端與c寄生輻射貼片單元(3)的通斷。c寄生輻射貼片單元(3)的c連接邊(3a)與第三pin二極體開關(6)焊接。所述介質板(7)和接地板(9)為六邊形；接地板(9)完全覆蓋介質板(7)，接地板(9)的高度設置保證天線工作頻段為1.6ghz～2.2ghz和2.6ghz～4.0ghz；所述寄生輻射貼片單元(1、2、3)為經過2次～5次koch分形後、且切除了底端頂角的結構。本發明設計的方向圖可重構天線的優點在於：①本發明設計的方向圖可重構微帶貼片天線結構運用了pin二極體的通斷控制不同的寄生輻射貼片參與能量輻射，能夠工作在三種工作模式下。本發明天線與現有的微帶貼片天線相比具有的優點為：體積小；增益較高；每種工作模式都為雙端射，能夠實現h面的360度全向覆蓋；並且展寬了工作頻帶。②本發明設計的方向圖可重構微帶貼片天線運用分形貼片技術，實現了天線的小型化，相比工作於同頻段的普通貼片天線，天線尺寸縮減19.36％。附圖說明圖1是本發明基於分形貼片的方向圖可重構天線的結構圖。圖1a是本發明基於分形貼片的方向圖可重構天線的背部結構圖。圖1b是本發明基於分形貼片的方向圖可重構天線的正視面結構圖。圖1c是本發明基於分形貼片的方向圖可重構天線的尺寸關係示意圖。圖2是經2次hoch分形得到的本發明寄生輻射貼片單元結構圖。圖2a是經2次hoch分形得到的本發明寄生輻射貼片單元的正視面結構圖。圖2b是經2次hoch分形得到的本發明寄生輻射貼片單元的另一視角結構圖。圖3是經3次hoch分形得到的本發明寄生輻射貼片單元的正視面結構圖。圖4是經4次hoch分形得到的本發明寄生輻射貼片單元的正視面結構圖。圖5是實施例1設計天線的s11曲線圖。圖6a是實施例1設計天線在5.25ghz諧振頻點處的第一種模式的方向圖。圖6b是實施例1設計天線在5.775ghz諧振頻點處的第一種模式的方向圖。圖7a是實施例1設計天線在5.25ghz諧振頻點處的第二種模式的方向圖。圖7b是實施例1設計天線在5.775ghz諧振頻點處的第二種模式的方向圖。圖8a是實施例1設計天線在5.25ghz諧振頻點處的第三種模式的方向圖。圖8b是實施例1設計天線在5.775ghz諧振頻點處的第三種模式的方向圖。1.a寄生輻射貼片單元1a.a連接邊1-11.一級分形枝節a1-12.一級分形枝節b1-21.二級分形枝節a1-22.二級分形枝節b1-23.二級分形枝節c1-24.二級分形枝節d1-25.二級分形枝節e1-26.二級分形枝節f1-27.二級分形枝節g1-28.二級分形枝節h2.b寄生輻射貼片單元2a.b連接邊3.c寄生輻射貼片單元3a.c連接邊4.第一pin二極體開關5.第二pin二極體開關6.第三pin二極體開關7.介質板7a.第一切邊7b.第二切邊7c.第三切邊8.饋源端8a.a饋線段8b.b饋線段8c.c饋線段9.接地板具體實施方式下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。參見圖1、圖1a、圖1b所示，本發明設計了一種基於koch分形貼片的方向圖可重構天線，該方向圖可重構天線包括有三個寄生輻射貼片單元、三個饋線段、饋電端8、介質板7和接地板9；三個寄生輻射貼片單元和三個饋線段採用覆銅技術製作在介質板7的一面板上，介質板7的另一面板上採用覆銅技術製作有接地板9。如圖1a所示方向圖可重構天線的底端為平滑端面。為了使寄生輻射貼片單元和饋線段以饋電端8呈120度分布，故設置了結構相同的三個寄生輻射貼片單元和結構相同的三個饋線段，即：a寄生輻射貼片單元1、b寄生輻射貼片單元2和c寄生輻射貼片單元3；a饋線段8a、b饋線段8b和c饋線段8c。如圖1b所示，a饋線段8a、b饋線段8b與c饋線段8c的一端重合，重合點為饋電端8的端點，記為o點(即饋電點)；a饋線段8a、b饋線段8b與c饋線段8c的另一端以饋電點o為圓心呈120度設置；即：a饋線段8a的另一端通過第一pin二極體開關4的通斷來實現a饋線段8a的另一端與a寄生輻射貼片單元1的通斷；a寄生輻射貼片單元1的a連接邊1a與第一pin二極體開關4焊接；b饋線段8b的另一端通過第二pin二極體開關5的通斷來實現b饋線段8b的另一端與b寄生輻射貼片單元2的通斷；b寄生輻射貼片單元2的b連接邊2a與第二pin二極體開關5焊接；c饋線段8c的另一端通過第三pin二極體開關6的通斷來實現c饋線段8c的另一端與c寄生輻射貼片單元3的通斷。c寄生輻射貼片單元3的c連接邊3a與第三pin二極體開關6焊接。在本發明中，饋線段設計為矩形構型，是為了最大限度的減小圓周分布的三個寄生輻射貼片單元(1、2、3)間的耦合效應，使其中一個寄生輻射貼片單元工作時受到的其餘兩個輻射單元的耦合效應最小。通過調整矩形饋線段的長寬比，可實現最優的方向圖可重構效果。介質板7在本發明中，參見圖1、圖1a、圖1b所示，介質板7為六邊形結構體，更特別的是由一個等邊三角形截去三個頂角而得到，使第一切邊7a與a寄生輻射貼片單元1的a連接邊1a平行，使第二切邊7b與b寄生輻射貼片單元2的b連接邊2a平行，使第三切邊7c與c寄生輻射貼片單元3的c連接邊3a平行。在本發明中，介質板7採用截去頂角的等邊三角形結構，是為了使三個寄生輻射貼片單元(1、2、3)到介質板7的切邊距離是相等的，從而使輻射方向圖的主瓣不裂瓣。介質板7材質選用的是介電常數為4.4的環氧樹脂。為了保證s11參數在工作頻率範圍內處於－10db以下，則介質板7厚度設置為3毫米。在本發明中，在同一結構體的基於koch分形貼片的方向圖可重構天線中三個寄生輻射貼片單元和三個饋線段是相同結構的。參見圖1、圖1b、圖2、圖2a、圖2b所示，寄生輻射貼片單元為經過2次hoch分形後、且切除了底端頂角的結構。所述a寄生輻射貼片單元1的底端為a連接邊1a，該a連接邊1a與a饋線段8a之間設置有第一pin二極體開關4。在本發明中，通過第一pin二極體開關4的通斷來實現a饋線段8a的另一端與a寄生輻射貼片單元1的通斷。如圖2a所示，2次hoch分形後的a寄生輻射貼片單元1的結構為，存在有2個一級分形枝節和8個二級分形枝節；且一級分形枝節a1-11與一級分形枝節b1-12對稱設置；且二級分形枝節a1-21與二級分形枝節b1-22對稱設置；且二級分形枝節c1-23與二級分形枝節d1-24對稱設置在所述一級分形枝節a1-11上；且二級分形枝節e1-25與二級分形枝節f1-26對稱設置在所述一級分形枝節b1-12上；且二級分形枝節g1-27與二級分形枝節h1-28對稱設置。在本發明中，採用hoch分形去除底端頂角是為了給寄生輻射貼片單元與饋線之間的pin二極體開關連接，提供幾何結構，同時也是為了使饋源端的輸入信號能夠通過饋線和開關最大程度地耦合到寄生輻射貼片單元上，從而使天線方向圖能夠重構，且增益提高。參見圖3所示，a寄生輻射貼片單元1為經3次hoch分形且切除了底端頂角的結構。參見圖4所示，a寄生輻射貼片單元1為經4次hoch分形且切除了底端頂角的結構。在本發明中，寄生輻射貼片單元為經2～5次hoch分形、且切除了底端頂角的結構。2次hoch分形後的寄生輻射貼片單元(1、2、3)的結構為，存在有2個一級分形枝節和8個二級分形枝節；且一級分形枝節a(1-11)與一級分形枝節b(1-12)對稱設置；且二級分形枝節a(1-21)與二級分形枝節b(1-22)對稱設置；且二級分形枝節c(1-23)與二級分形枝節d(1-24)對稱設置在所述一級分形枝節a(1-11)上；且二級分形枝節e(1-25)與二級分形枝節f(1-26)對稱設置在所述一級分形枝節b(1-12)上；且二級分形枝節g(1-27)與二級分形枝節h(1-28)對稱設置。3次hoch分形後的寄生輻射貼片單元(1、2、3)的結構為，存在有2個一級分形枝節、8個二級分形枝節和32個三級分形枝節。4次hoch分形後的寄生輻射貼片單元(1、2、3)的結構為，存在有2個一級分形枝節、8個二級分形枝節、32個三級分形枝節和128個四級分形枝節。5次hoch分形後的寄生輻射貼片單元(1、2、3)的結構為，存在有2個一級分形枝節、8個二級分形枝節、32個三級分形枝節、128個四級分形枝節和512個五級分形枝節。本發明基於koch分形貼片的方向圖可重構天線的尺寸設計：如圖1c所示，介質板7的切邊長記為a，介質板7的切角邊長記為b；寄生輻射貼片單元的頂角與介質板7的切邊距離記為h，寄生輻射貼片單元的連接邊的邊長記為c；饋線段的長記為a，饋線段的寬記為b。為了使本發明設計的天線具有方向圖可重構且s11參數在工作頻段內達到－10db以下，且在設置好所述c尺寸下，其尺寸關係為：a＝2.4c～2.5c，b≈c，h≈0.2c，a＝0.5c～0.6c，b≈0.3a。本發明設計的基於koch分形貼片的方向圖可重構天線是通過一個pin二極體開關連通，另外兩個pin二極體開關斷開來進行工作的。第一種天線工作模式：在本發明中，第一種天線工作模式是指第一pin二極體開關4連通，第二pin二極體開關5和第三pin二極體開關6斷開。所述第一pin二極體開關4連通使得a饋線段8a與a寄生輻射貼片單元1導通，基於微帶貼片天線的電磁耦合原理，將從b寄生輻射貼片單元2和c寄生輻射貼片單元3的輻射末端感應出相對a寄生輻射貼片單元1末端較強的電場，從而使天線的輻射方向圖偏向所述b寄生輻射貼片單元2和c寄生輻射貼片單元3對應的空間方向。第二種天線工作模式：在本發明中，第二種天線工作模式是指第二pin二極體開關5連通，第一pin二極體開關4和第三pin二極體開關6斷開。所述第二pin二極體開關5連通使得b饋線段8b與b寄生輻射貼片單元2導通，基於微帶貼片天線的電磁耦合原理，將從a寄生輻射貼片單元1和c寄生輻射貼片單元3的輻射末端感應出相對b寄生輻射貼片單元2末端較強的電場，從而使天線的輻射方向圖偏向所述a寄生輻射貼片單元1和c寄生輻射貼片單元3對應的空間方向。第三種天線工作模式：在本發明中，第一種天線工作模式是指第三pin二極體開關6連通，第一pin二極體開關4和第二pin二極體開關5斷開。所述第三pin二極體開關6連通使得c饋線段8c與c寄生輻射貼片單元3導通，基於微帶貼片天線的電磁耦合原理，將從a寄生輻射貼片單元1和b寄生輻射貼片單元2的輻射末端感應出相對c寄生輻射貼片單元3末端較強的電場，從而使天線的輻射方向圖偏向所述a寄生輻射貼片單元1和b寄生輻射貼片單元2對應的空間方向。實施例1確定相關參數為：介質板厚度為2mm，所用材質為fr4環氧玻璃纖維板，相對介電常數為4.4，正切損耗為0.02。截去頂角之前的介質基片為三角形，邊長為30mm，截去的三角形邊長為14.09mm。主輻射貼片中每個矩形的寬為0.5mm，長為1.455mm。每個寄生輻射貼片的底邊為4mm，即一階koch形為邊長4mm的等邊三角形，二階koch則在此基礎上由等邊三角形的兩邊分別延展出邊長為4/3mm的等邊三角形。寄生貼片與主輻射貼片相距0.5mm，即0.5mm×0.5mm為留給pin開關的尺寸。與金屬接地板相連的同軸饋線外導體半徑為0.6mm，穿過介質基片與輻射貼片相連的同軸線內導體半徑為0.3mm。在確定上述相關參數前提下，經電磁仿真，對該天線的工作狀態作進一步說明：工作頻段：5.15～5.41ghz和5.58～6.22ghz，諧振頻點分別為5.25ghz和5.775ghz，s11參數分別為－15.36db和－25.67db(如圖5所示)。因為本發明主要研究5.15～5.35ghz和5.725～5.825ghz兩個頻段，因此分別設置5.25ghz和5.775ghz兩個頻點為工作頻點，做天線方向圖來說明本發明設計天線的方向圖可重構性。在第一種天線工作模式下，且在xoy平面。設置工作頻點為5.25ghz時，半功率波束寬度為17.8度～106.0度，253.3度～342.3度，則天線方向圖如圖6a所示；設置工作頻點為5.775ghz時，半功率波束寬度為53.2度～128.7度，231.8度～305.9度，天線方向圖如圖6b所示。在第二種天線工作模式下，且在xoy平面。設置工作頻點為5.25ghz時，半功率波束寬度為14.8度～101.5度，138.6度～225.2度，則天線方向圖如圖7a所示；設置工作頻點為5.775ghz時，半功率波束寬度為172.5度～246.7度，－9度～65.6度，天線方向圖如圖7b所示。在第三種天線工作模式下，且在xoy平面。設置工作頻點為5.25ghz時，半功率波束寬度為127.5度～218.8度，262.1度～353.1度，則天線方向圖如圖8a所示；設置工作頻點為5.775ghz時，半功率波束寬度為111.5度～186.3度，－67.5度～8.6度，天線方向圖如圖8b所示。天線增益：設置工作頻點為5.25ghz時，天線最高增益為4.41db；設置工作頻點為5.775ghz時，天線最高增益為5.07db。本發明是一種基於koch分形貼片的方向圖可重構天線，所要解決的是如何在雙頻段實現微帶貼片天線的方向圖和重構性能，並且實現微帶貼片天線的小型化的技術問題，該微帶貼片天線應用pin二極體實現方向圖可重構，用koch分形結構實現天線的小型化及雙頻段的技術手段，從而通過控制三個pin二極體開關的通斷控制不同的寄生貼片參與能量輻射，改變表面電流分布，得到不同的輻射方向圖。並能實現h面方向圖360度全覆蓋，且能在雙頻段範圍內工作的技術效果。當前第1頁12