方向圖可重構的端射電小天線的製作方法
2023-09-24 00:43:15
本實用新型涉及天線技術領域，具體地，涉及一種方向圖可重構的端射電小天線。
背景技術：
雷達和衛星在搜素信號時需要不斷改變波束掃描方向，獲取某一方向的信號，抑制來自其它方向的噪聲幹擾，因此在這些通信系統中需要使用具有適時方向選擇性的天線，方向圖可重構天線就滿足這一要求，可以在相同頻段內，通過控制開關來實現天線方向圖的可重構。此外，電小天線由於所佔空間小，易於集成等優點而倍受關注，但是電小天線由於電小尺寸的限制，導致方向性很差，更不要說可重構的特性。
技術實現要素：
本實用新型的目的是提供一種方向圖可重構的端射電小天線，該天線能夠在同一工作頻段內實現方向圖的快速轉變，結構簡單、反應迅速、製作成本低。
為了實現上述目的，本實用新型提供一種方向圖可重構的端射電小天線，包括：第一介質基板；第二介質基板，位於所述第一介質基板的下方，與所述第一介質基板平行設置且彼此隔開；磁偶極子，貼設於所述第一介質基板的上表面；激勵源，貼設於所述第一介質基板的下表面；接地板，貼設於所述第二介質基板的上表面，包括沿所述第二介質基板的圓周方向布置的三個扇形金屬片，相鄰兩個所述扇形金屬片之間具有第一間隙，每個所述第一間隙處設置有PIN開關二極體；同軸電纜，穿設於所述第二介質基板並連接至所述激勵源。
可選地，所述磁偶極子包括組成圓環結構的三個弧形金屬片，相鄰兩個弧形金屬片的端部之間具有第二間隙，每個弧形金屬片的端部形成有朝向所述圓環結構的中心延伸的金屬枝節。
可選地，所述弧形金屬片的內徑為13mm-16mm，所述弧形金屬片的外徑為18mm-22mm，所述第二間隙的距離為0.6mm-1mm，所述金屬枝節的長度為13mm-16mm，所述金屬枝節的寬度為0.2mm-0.6mm。
可選地，所述激勵源包括沿所述第一介質基板的圓周方向間隔布置的三對激勵條帶，每對激勵條帶包括平行設置的第一激勵條帶和第二激勵條帶，所述第一激勵條帶和所述第二激勵條帶從所述第一介質基板的中央沿所述第一介質基板的徑向延伸，所述同軸電纜的內導體與每個所述第一激勵條帶的內端相連，所述同軸電纜的外導體與每個所述第二激勵條帶的內端相連。
可選地，所述第一激勵條帶和所述第二激勵條帶間隔距離為1.1mm-1.5mm，所述第一激勵條帶的長度為10mm-12mm，所述第一激勵條帶的寬度為0.4mm-0.8mm，第二激勵條帶的尺寸與第一激勵條帶的尺寸相等。
可選地，每個所述扇形金屬片上設置有沿圓周方向交替布置的三個外側矩形孔和兩個內側矩形孔，每個外側矩形孔從所述扇形金屬片的外邊緣向內徑向延伸，每個內側矩形孔從所述扇形金屬片的內邊緣向外徑向延伸。
可選地，所述扇形金屬片的外徑26mm-30mm，內徑為5mm-9mm，外側矩形孔的長為12mm-15mm，寬為1mm-4mm，內側矩形孔的長為17mm-20mm，寬為2mm-5mm。
可選地，每個所述扇形金屬片上的三個外側矩形孔中位於中間的一個外側矩形孔處設置有電感和矩形金屬條帶，所述矩形金屬條帶沿所述外側矩形孔的長度方向延伸，所述電感設置在所述矩形金屬條帶的內端。
可選地，所述矩形金屬條帶長為13mm-15mm，寬為0.4mm-1mm。
可選地，所述第一介質基板和所述第二介質基板為圓形結構，所述第一介質基板的半徑為19mm-22mm，厚度為0.3mm-0.9mm，所述第二介質基板的半徑為26mm-28mm，厚度為0.5mm-0.9mm。可選地，所述矩形金屬條帶長為13mm-15mm，寬為0.4mm-1mm。
通過上述技術方案，一方面，該天線結構緊湊，尺寸小，易於集成到無線通訊系統中；另一方面，利用近場耦合寄生諧振技術，利用激勵源對磁偶極子和彎曲結構的接地板進行激勵，同時在接地板上加載三個PIN開關二極體，通過加載直流偏置電路實現天線方向圖的可重構，使天線在同一頻段內，迅速切換為三種輻射模式，對應於三種輻射方向圖，通過控制開關可以使方向圖掃描水平空間全覆蓋，具有較高的增益和輻射效率。
本實用新型的其他特徵和優點將在隨後的具體實施方式部分予以詳細說明。
附圖說明
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本實用新型，並不用於限制本實用新型。
圖1是根據本實用新型的一個實施方式的方向圖可重構的端射電小天線結構示意圖；
圖2是根據本實用新型的一個實施方式的方向圖可重構的端射電小天線磁偶極子的俯視圖；
圖3是根據本實用新型的一個實施方式的方向圖可重構的端射電小天線激勵源的仰視圖；
圖4是根據本實用新型的一個實施方式的方向圖可重構的端射電小天線接地板的俯視圖；
圖5是根據本實用新型的一個實施方式的方向圖可重構的端射電小天線反射係數|S11|和頻率的關係曲線圖；
圖6是根據本實用新型的一個實施方式的方向圖可重構的端射電小天線0deg輻射場方向圖
圖7是根據本實用新型的一個實施方式的方向圖可重構的端射電小天線120deg輻射場方向圖；
圖8是根據本實用新型的一個實施方式的方向圖可重構的端射電小天線240deg輻射場方向圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本實用新型，並不用於限制本實用新型。
如圖1所示，本實用新型提供一種方向圖可重構的端射電小天線，包括相互平行設置的第一介質基板1和第二介質基板2，第二介質基板2位於第一介質基板1的下方，並且與第一介質基板1間隔設置，這裡，第一介質基板1和第二介質基板2均為圓形板，並且第二介質基板2的直徑大於第一介質基板1的直徑，第一介質基板1的上表面貼設有磁偶極子11，第一介質基板1的下表面貼設有激勵源12，另外，第二介質基板2的上表面還貼設有接地板21，這裡，接地板21為沿著第二介質基板2的圓周方向間隔布置的三個扇形金屬片211，相鄰兩個扇形金屬片211之間具有第一間隙212，第一間隙212處設置有PIN開關二極體6，該天線還包括同軸電纜3，穿設於第二介質基板2並連接至激勵源12。通過上述技術方案，一方面，該天線結構緊湊，尺寸小，易於集成到無線通訊系統中；另一方面，利用近場耦合寄生諧振技術，利用激勵源對磁偶極子11和彎曲結構的接地板21進行激勵，同時在接地板21上加載三個PIN開關二極體6，通過加載直流偏置電路實現天線方向圖的可重構，使天線迅速切換為三種輻射模式，對應三個方向的輻射方向圖，通過控制PIN開關二極體6的通斷可以實現方向圖掃描水平空間全覆蓋，具有較高的增益和輻射效率。
具體地，磁偶極子11包括組成圓環結構的三個弧形金屬片111，相鄰兩個弧形金屬片111的端部之間具有第二間隙112，由於產生磁偶極子11的條件需要有環形電流，並且為了使得電流流經的路徑較為平滑，將磁偶極子11的結構形式設計成三個弧形金屬片111的形式；另外，電流路徑的平滑也有助於拓展電小天線的帶寬，每個弧形金屬片111的端部形成有朝向弧形結構的中心延伸的金屬枝節113，這裡，形成金屬枝節113是為了與激勵源12的三對激勵條帶相互作用，從而激勵起環形電流。
進一步地，如圖3所示，激勵源包括沿第一介質基板1的圓周方向間隔布置的三對激勵條帶，每對激勵條帶包括平行設置的第一激勵條帶121和第二激勵條帶122，第一激勵條帶121和第二激勵條帶122從第一介質基板1的中央沿第一介質基板1的徑向延伸，同軸電纜3的內導體與每個第一激勵條帶121的內端相連，同軸電纜3的外導體與每個第二激勵條帶122的內端相連。
如圖4所示，在本實用新型提供的一個實施方式中，扇形金屬片211上的設置有沿圓周方向交替布置的三個外側矩形孔213和兩個內側矩形孔214，這裡，在扇形金屬貼片211上加工出矩形結構，一方面，是為了延長電流路徑，保證電小天線的小型化、緊湊化；另一方面，矩形孔可以減少接地板21與磁偶極子11的正對面，從而減小接地板21與磁偶極子11之間的耦合。具體地，每個外側矩形孔213從扇形金屬片211的外邊緣向內徑向延伸，每個內側矩形孔214從扇形金屬片211的內邊緣向外徑向延伸，每個扇形金屬片211上的三個外側矩形孔213中位於中間的一個外側矩形孔213處設置有電感4和矩形金屬條帶5，矩形金屬條帶5沿外側矩形孔213的長度方向延伸，電感4設置在矩形金屬條帶5的內端，這裡，矩形金屬條帶5的外端可以連接導線，用於在PIN開關二極體6兩端接入直流電源控制開關的通斷，矩形金屬條帶5的內端所接電感4是可以防止交流信號進入直流偏置電路中，引起幹擾。當其中一個PIN開關二極體6兩端接上1.4V直流電源導通時，另外兩個PIN開關二極體6可以處於斷開狀態，等效於兩個扇形金屬貼片211相連接形成的一條比較長的條帶以與另一個扇形金屬貼片211形成的短條帶形成二元陣子，通過調整該二元陣子之間的距離和相位差，得到最佳的端射輻射性能。
另外，磁偶極子11、接地板21、矩形金屬條帶5、第一激勵條帶121、第二激勵條帶122均為厚度相同的覆銅薄膜。
具體地，根據本實用新型提供的一個實施方式，為了更為方便地通過近場耦合技術來保證電小天線的輻射特性，本實用新型中，第一介質基板1和第二介質基板2為圓形結構，並且，第一介質基板1的半徑為19mm-22mm，厚度為0.3mm-0.9mm，第二介質基板2的半徑為26mm-28mm，厚度為0.5mm-0.9mm，呈圓環結構磁偶極子11的內徑為13mm-16mm，外徑為18mm-22mm，第二間隙112的距離為0.6mm-1mm，金屬枝節113的長度為13mm-16mm，金屬枝節113的寬度為0.2mm-0.6mm，第一激勵條帶121和第二激勵條帶122間隔距離為1.1mm-1.5mm，第一激勵條帶121的長度為10mm-12mm，寬度為0.4mm-0.8mm，扇形金屬片211的外徑26mm-30mm，內徑為5mm-9mm，外側矩形孔213的長度為12mm-15mm，寬度為1mm-4mm，內側矩形孔214的長度為17mm-20mm，寬度為2mm-5mm，矩形金屬條帶5的長度為13mm-15mm，寬度為0.4mm-1mm。
本實用新型提供一個具體實施例，第一層介質基板1和第二層介質基板2的厚度為0.787mm，第一層介質基板1的半徑為21.4mm，第二層介質基板2的半徑為28mm，材料均選用了The Rogers Duroid 5880，相對介電常數為2.2，相對磁導率為1.0，損耗角正切為0.0009；扇形金屬貼片211的外徑為28mm，扇形金屬貼片211的內徑為7mm，外側矩形孔213的長和寬分別為14.96mm和3mm，內側矩形孔214的長和寬分別為18.16mm和3mm；第一間隙212的縫隙寬度為0.4mm，在縫隙中間位置加載PIN開關二極體6，矩形金屬條帶5的長和寬分別為14.2mm和0.8mm。
完成上述的初始設計之後，使用高頻電磁仿真軟體HFSS13.0進行仿真分析，經過仿真優化之後各參數最佳尺寸如表1所示，其中：R1代表第一層介質基板1的外徑，R2代表弧形金屬片111的外徑，R3代表弧形金屬片111的內徑，W1代表金屬枝節113的寬度，G1代表第二間隙112的寬度，R4代表第二層介質基板2的半徑，R5代表扇形金屬片211的內徑，G2代表第一間隙212的縫隙寬度，L3代表第一激勵條帶的長度，W6代表第一激勵條帶的寬度，W5代表第一激勵條帶121和第二激勵條帶122之間的縫隙寬度。L1代表外側矩形孔213的長度，L2代表內側矩形孔214的長度，W2外側矩形孔213的寬度，W3代表內側矩形孔214的寬度，W4矩形金屬條帶5的寬度。
表1本實用新型各參數最佳尺寸表
以上結合附圖詳細描述了本實用新型的優選實施方式，但是，本實用新型並不限於上述實施方式中的具體細節，在本實用新型的技術構思範圍內，可以對本實用新型的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本實用新型的保護範圍。
另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重複，本實用新型對各種可能的組合方式不再另行說明。
此外，本實用新型的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本實用新型的思想，其同樣應當視為本實用新型所公開的內容。此外，本實用新型的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本實用新型的思想，其同樣應當視為本實用新型所公開的內容。