一種寬帶低剖面方向圖可重構天線的製作方法
2023-09-24 00:42:10 2
本發明涉及一種寬帶低剖面方向圖可重構天線，屬於天線技術領域。
背景技術：
無線通信技術的快速發展對系統需求以及工作模式提出了更高要求，傳統的單功能天線不能很好的滿足當前的需要，並成為制約系統性能發展的瓶頸。可重構天線的提出和發展給這些問題提供了很好的解決方案。方向圖可重構天線能夠根據實際需求和環境變化控制天線的主波束以及零方向。同時，隨著通信業務的飛速增長，系統對天線的可用帶寬要求越來越高。
由於現代單層PCB工藝十分成熟，在不是十分高的頻段內，加工精度也十分有保證，同時加工的產品可以擁有低輪廓、小體積、高集成度的特性，有利於天線的大規模生產與應用。因此，使用單層PCB工藝的極化可重構基片集成波導縫隙天線在低輪廓、高集成度以及降低成本上都有很現實的意義。
技術實現要素：
發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種寬帶低剖面方向圖可重構天線，該方向圖可重構天線僅需要四個天線單元(或子陣列)、四個開關和一個簡單的功率分配器結構就可以構成，與一般方向圖可重構天線相比，具有低剖面，寬帶寬，結構簡單，易於集成等優點。它具有一致性、結構簡單、易於實現、成本低等優點。
技術方案：為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：
一種寬帶低剖面方向圖可重構天線，包括四個縱橫方向二維陣列排布的天線單元、四個與天線單元一一對應的開關、一分四的等幅度等相位功率分配器；每個天線單元設置有兩個饋電埠，各天線單元兩端的饋電埠分別通過微帶傳輸線(7)與開關相連；所述一分四的等幅度等相位功率分配器的四個分支分別與開關相連，所述開關用於控制等幅度等相位功率分配器分別饋電於每個天線單元的兩個饋電埠的其中一個饋電埠，使天線單元兩個饋電埠只有一個饋電埠處於工作狀態。
優選的：所述天線單元包括上介質基片(12)、下介質基片(11)、上金屬層(21)、中金屬層(22)、下金屬層(23)和2個以上陣列式排布成諧振腔(4)的金屬通孔(41)，所述上介質基片(12)、下介質基片(11)由上到下依次設置；所述上金屬層(21)設置於上介質基片(12)的上表面，中金屬層(22)設置於下介質基片(11)的上表面，而所述下金屬層(23)設置於下介質基片(11)的下表面；所述金屬通孔(41)依次貫穿中金屬層(22)、下介質基片(11)以及下金屬層(23)，且金屬通孔(41)的上端與中金屬層(22)的上表面連接，而下端與下金屬層(23)的下表面連接；所述中金屬層(22)上設置有天線單元激勵層，所述天線單元激勵層用於激勵上介質基片(12)上設置的上金屬層(21)；所述下金屬層(23)上設置有天線單元饋電結構，所述天線單元饋電結構與微帶傳輸線(7)相連。
優選的：所述上金屬層(21)包括四個寄生貼片(211)，所述寄生貼片(211)在上介質基片(12)上呈縱橫方向二維陣列排布。
優選的：所述中金屬層(22)的上表面且位於諧振腔(4)的四周蝕刻出環形縫隙作為輻射縫隙(2)，所述輻射縫隙(2)作為天線單元激勵層。
優選的：所述天線單元的兩個饋電埠設置在下金屬層(23)上，所述饋電埠蝕刻出縫隙作為有限接地共面波導傳輸線(3)，所述有限接地共面波導傳輸線(3)作為天線單元饋電結構，所述饋電埠通過有限接地共面波導傳輸線(3)與傳輸線(7)相連。
優選的：所述諧振腔(4)的輪廓為方形或長方形。
優選的：所述天線單元的工作模式為諧振腔(4)的高次TE210模式。
優選的：兩個饋電埠相位相差180度。
優選的：所述一分四的等幅度等相位功率分配器包括第一等相位等幅度功率分配器(6)、第二等相位等幅度功率分配器(51)、第三等相位等幅度功率分配器(52)，所述第二等相位等幅度功率分配器(51)和第三等相位等幅度功率分配器(52)相併聯後與第一等相位等幅度功率分配器(6)串聯。
有益效果：本發明相比現有技術，具有以下有益效果：
1、整個天線單元(或子陣列)主要有金屬層和金屬化通孔組成，整個結構可以用傳統的PCB或LTCC工藝來實現；
2、該天線能通過四個一分二開關和三個的威爾金森功率分配器改變天線單元(或子陣列)的信號輸入埠，從而實現和波束、方位差波束、俯仰差波束和雙差波束，即形成方向圖可重構天線。
3、該天線具有四種不同的方向圖：和波束、俯仰差波束、方位差波束和雙差波束，同時滿足較好駐波特性，，且帶寬寬、輪廓低、體積小、實現簡單，易於集成。
4、本發明中，通過開關控制天線單元(或子陣列)的信號輸入埠：當四個天線都從相同相位輸入時，將實現和波束；當四個天線單元(或子陣列)中橫向的上下兩對天線單元(或子陣列)從相同相位的埠輸入，縱向的左右兩對天線單元(或子陣列)從相反相位輸入，則實現俯仰差波束；反之，當四個天線單元(或子陣列)中橫向的上下兩對天線單元(或子陣列)從相反相位的埠輸入，縱向的兩對天線單元(或子陣列)從相同相位輸入，則實現方位差波束；當每相鄰的兩個天線單元(或子陣列)都從相反相位的埠輸入，則實現了雙差波束。
附圖說明
圖1為一種方向圖可重構天線中天線單元(或子陣列)的上金屬層結構示意圖；
圖2為天線單元(或子陣列)的中金屬層結構示意圖；
圖3為天線單元(或子陣列)的下金屬層結構示意圖；
圖4為2×2方向圖可重構天線陣列的上金屬層結構示意圖；
圖5為方向圖可重構天線陣列的中金屬層結構示意圖；
圖6為方向圖可重構天線陣列的下金屬層結構示意圖；
圖7為金屬化通孔的剖視結構示意圖；
圖8為方向圖可重構天線在和波束狀態下仿真和測試的回波損耗|S11|；
圖9為方向圖可重構天線在方位差波束狀態下仿真和測試的回波損耗|S11|；
圖10為方向圖可重構天線在俯仰差波束狀態下仿真和測試的回波損耗|S11|；
圖11為方向圖可重構天線在雙差波束狀態下仿真和測試的回波損耗|S11|；
圖12為天線在頻率5.4GHz和6GHz時波束歸一化增益方向圖,其中，圖12a為天線在頻率5.4GHz時波束歸一化增益方向圖，圖12b為天線在頻率6GHz時波束歸一化增益方向圖；
圖13為天線在頻率5.4GHz和6GHz時方位差波束歸一化增益方向圖,其中，圖13a為天線在頻率5.4GHz時方位差波束歸一化增益方向圖,圖13b為天線在頻率6GHz時方位差波束歸一化增益方向圖；
圖14為天線在頻率5.4GHz和6GHz時俯仰差波束歸一化增益方向圖,其中，圖14a為天線在頻率5.4GHz時俯仰差波束歸一化增益方向圖,圖14b為天線在頻率6GHz時俯仰差波束歸一化增益方向圖；
圖15為天線在頻率5.4GHz和6GHz時雙差波束歸一化增益方向圖φ＝45°，其中，圖15a為天線在頻率5.4GHz時雙差波束歸一化增益方向圖φ＝45°，圖15b為天線在頻率6GHz時雙差波束歸一化增益方向圖φ＝45°，；
圖16為天線在頻率5.4GHz和6GHz時雙差波束歸一化增益方向圖φ＝135°，其中，圖16a為天線在頻率5.4GHz時雙差波束歸一化增益方向圖φ＝135°,，圖15b為天線在頻率6GHz時雙差波束歸一化增益方向圖φ＝135°；
圖17為在法向方向上，天線在和波束狀態時隨頻率變化下的增益變化關係圖；
圖18為在法向方向上，天線在方位差波束狀態時隨頻率變化下的增益變化關係圖；
圖19為在法向方向上，天線在俯仰差波束狀態時隨頻率變化下的增益變化關係圖；
圖20為在法向方向上，天線在雙差波束狀態時隨頻率變化下的增益變化關係圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。
一種寬帶低剖面方向圖可重構天線，如圖4、圖5、圖6所示2×2方向圖可重構天線陣列，包括四個縱橫方向二維陣列排布的天線單元(或子陣列)、四個與天線單元一一對應的單刀雙擲開關、一個一分四的等幅度等相位功率分配器，每個天線單元採用諧振腔4和寄生貼片結構設計拓展帶寬，並且包括兩個饋電埠，各天線單元(或子陣列)兩端的饋電埠分別通過共面波導傳輸線3轉微帶傳輸線7與開關相連，開關控制使天線單元(或子陣列)兩端只有一個埠處於工作狀態；三個等相位等幅度功率分配器，其中一個功率分配器並聯另兩個功率分配器，從而構成一個一分四的等幅度等相位功率分配器，這個一分四的等幅度等相位功率分配器四個分支分別與開關相連，通過開關控制，可分別饋電於四個天線單元(或子陣列)的兩個埠的其中一個埠。改變開關的狀態，即改變天線單元(或子陣列)的輸入埠(又稱饋電埠，簡稱埠)，從而改變天線單元(或子陣列)的相位，可形成四種不同的天線方向圖：和波束、方位差波束、俯仰差波束和雙差波束，從而可實現方向圖可重構天線。
如圖1、2、3所示，為一種小型的方向圖可重構天線的天線單元(或子陣列)，該天線單元(或子陣列)的工作模式為方形諧振腔4的高次簡併模式；天線單元(或子陣列)包括上介質基片12、下介質基片11、上金屬層21、中金屬層22、下金屬層23和金屬通孔，所述金屬通孔貫穿下介質基片11、上下兩端分別連接中金屬層22和下金屬層23。天線具有兩個輸入埠，兩個輸入埠相位相差180度。
如圖1所示，所述上金屬層21由四個寄生貼片211組成，所述寄生貼片211在上介質基片12上呈縱橫方向二維陣列排布。
具體的，在中金屬層22的上表面且位於諧振腔4的四周蝕刻出環形縫隙作為輻射縫隙2，所述輻射縫隙2作為天線單元(或子陣列)的激勵層，激勵上金屬層寄生貼片21。單元的兩個饋電埠設置在下金屬層23上，所述饋電埠蝕刻出縫隙作為有限接地共面波導傳輸線3，所述有限接地共面波導傳輸線3作為天線單元(或子陣列)的饋電結構，並與微帶傳輸線7相連；
具體的，所述第一等相位等幅度功率分配器6通過並聯兩個第二功率分配器(51、51)形成一個一分四的等相位等幅度功率分配器，所述一分四的等相位等幅度功率分配器的四個分支分別與四個開關相連。如圖6所示，所述一分四的等幅度等相位功率分配器包括第一等相位等幅度功率分配器6、第二等相位等幅度功率分配器51、第三等相位等幅度功率分配器52，所述第二等相位等幅度功率分配器51和第三等相位等幅度功率分配器52相併聯後與第一等相位等幅度功率分配器6串聯，第一等相位等幅度功率分配器6、第二等相位等幅度功率分配器51、第三等相位等幅度功率分配器52均為傳統的威爾金森功率分配器。
基於上述，如圖7所示，所述天線單元(或子陣列)包括上介質基片12、下介質基片11、上金屬層21、中金屬層22、下金屬層23和2個以上陣列式排布成諧振腔4的金屬通孔41，所述上介質基片12、下介質基片11由上到下依次設置；所述上金屬層21設置於上介質基片12的上表面，中金屬層22設置於下介質基片11的上表面，而所述下金屬層23設置於下介質基片11的下表面；所述金屬通孔41依次貫穿中金屬層22、下介質基片11以及下金屬層23，且金屬通孔41的上端與中金屬層22的上表面連接，而下端與下金屬層23的下表面連接；所述中金屬層22上設置有天線單元激勵層，所述天線單元激勵層用於激勵上介質基片12上設置的上金屬層21；所述下金屬層23上設置有天線單元饋電結構，所述天線單元饋電結構與微帶傳輸線7相連，所述各金屬通孔41陣列式排布成諧振腔4。所述諧振腔4的輪廓為方形，所述天線單元(或子陣列)的工作模式為諧振腔4的高次簡併模式TE120和TE210模式，諧振腔4輪廓具體尺寸根據所述高次簡併模式進行計算。
所述中金屬層22上諧振腔4的四周蝕刻出環形縫隙作為輻射縫隙2，所述輻射縫隙2作為天線單元(或子陣列)的激勵層，激勵上金屬層寄生貼片21。所述天線單元(或子陣列)的兩個饋電埠設置在下金屬層23上，所述饋電埠蝕刻出縫隙作為有限接地共面波導傳輸線3(FG-CPW)，所述有限接地共面波導傳輸線3作為天線單元(或子陣列)的饋電結構，並與微帶傳輸線7相連。所述一分二開關決定天線的饋電埠，從而改變輻射單元的相位，實現和波束、方位差波束、俯仰差波束及雙差波束。
本發明中，基於方形的基片集成波導背腔天線單元(或子陣列)分別從兩個角方向進行饋電時，由於結構對稱，因此通過對角埠饋電時輻射場相位相差180度。通過開關控制天線單元(或子陣列)的信號輸入埠：當四個天線都從相同相位輸入時，將實現和波束；當四個天線單元(或子陣列)中橫向的上下兩對天線單元(或子陣列)從相同相位的埠輸入，縱向的左右兩對天線單元(或子陣列)從相反相位輸入，則實現俯仰差波束；反之，當四個天線單元(或子陣列)中橫向的上下兩對天線單元(或子陣列)從相反相位的埠輸入，縱向的兩對天線單元(或子陣列)從相同相位輸入，則實現方位差波束；當相鄰的天線單元從相反的埠輸入，則實現雙差波束。
基於本發明思想，利用PCB工藝製作圓極化單脈衝天線，並進行相關測試：圖8，圖9，圖10，圖11分別為該天線陣列的和波束、俯仰差波束,、方位差波束和雙差波束的仿真和測試的回波損耗|S11|；圖12天線在頻率5.4GHz和6GHz時和波束歸一化增益方向圖；圖13天線在頻率5.4GHz和6GHz時俯仰差波束歸一化增益方向圖；圖14天線在頻率5.4GHz和6GHz時方位差波束歸一化增益方向圖；圖15天線在頻率5.4GHz和6GHz時雙差波束歸一化增益方向圖φ＝45°；圖16天線在頻率5.4GHz和6GHz時雙差波束歸一化增益方向圖φ＝135°；圖17為在法向方向上，天線在和波束時隨頻率變化下的增益變化關係圖；圖18為在法向方向上，天線在俯仰差波束隨頻率變化下的增益變化關係圖；圖19為在法向方向上，天線在方位差波束隨頻率變化下的增益變化關係圖；圖20為在法向方向上，天線在雙差波束隨頻率變化下的增益變化關係圖。測試表明，該天線具有四種不同的方向圖：和波束、俯仰差波束、方位差波束和雙差波束，在很寬的頻帶內同時滿足較好的駐波特性，且輪廓低、體積小、實現簡單，易於集成。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。