具有六波束選擇性的平面型方向圖可重構方法及天線的製作方法
2023-10-09 05:30:44 2
專利名稱：具有六波束選擇性的平面型方向圖可重構方法及天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信中的天線，具體講，涉及具有六波束選擇性的平面型方向圖可重構天線。
背景技術：
隨著無線通信技術的快速發展，具有多重特性的天線已經引起了大量關注。而可重構天線作為一種新型天線，更是成為了近些年來研究的熱點。可重構天線可以在一副天線上實現多副天線的功能，從而實現多種分集方式。作為可重構天線研究中的一個重要方面，方向圖可重構天線可以通過開關控制實現方向圖的選擇性切換，從而實現了多種環境下的空間資源的有效利用。方向圖可重構天線可以較好地改善系統增益，提高通信安全性， 避免噪聲幹擾。同時通過定向輻射、接收也可以節約系統能量[1-2]。目前，國內外學者對於方向圖可重構天線已做了大量的研究。傳統的方向圖可重構天線設計大多是基於相控陣技術。但採用這種技術設計的天線一般體積較大，成本較高且設計過程較為複雜[3-4]。而具有對稱結構的平面型天線能夠在實現方向圖重構的同時保持其阻抗帶寬及頻率特性的穩定性，且設計成本較低，從而引起了天線設計者的廣泛研究[5-6]。文獻[7]中，天線採用對稱結構，通過控制夾在中間單極子和兩邊開路線之間的二極體的通斷狀態，實現了兩種定向方向圖的切換。但該天線只能重構兩種方向圖，方向圖重構的可選擇次數較少。文獻[8]中提到了一種帶有倒L寄生單元的低剖面方向圖可重構天線。天線由一個有源六邊形貼片單元和兩個加載開關的倒L形寄生單元組成。通過改變寄生單元上加載開關的通斷狀態，天線可以獲得兩種定向工作模式。這種天線尺寸較大且天線方向圖的重構次數較少。文獻[9]中設計了一種帶有準扇形寄生單元的方向圖可重構天線。該天線由一個中心有源圓形貼片和周圍環繞的五個準扇形寄生貼片組成，通過控制中心貼片和寄生貼片之間開關的通斷狀態，天線在方位面可以獲得五個定向方向圖重構。雖然這種天線可以實現較多次方向圖重構，但天線的俯仰角方向圖的最大方向在45度，沒有處於水平面。此外， 該天線是採用銅片的有無來代替開關的通斷，沒有採用實際的開關和控制電路。
發明內容
為克服現有技術的不足，提供一種能夠進行更多方向圖重構且更具實用性的天線，本發明採取的技術方案是，具有六波束選擇性的平面型方向圖可重構天線由天線基板、輻射單元層和接地板層所構成，輻射單元層位於天線基板的一面，接地板層位於天線基板的另一面，輻射單元層是由位於中心的有源圓形貼片和周圍環繞的矩形寄生貼片組成， 矩形寄生貼片用作主輻射單元，矩形寄生貼片通過帶線和微帶線與天線中心圓形單元相連，在微帶線中插入射頻PIN 二極體，通過電路控制二極體的通斷狀態使環繞的矩形寄生貼片選擇性地向外輻射；天線的接地板層採用部分接地形式接地板由中心圓形貼片和等角度間隔的矩形貼片連接而成，接地板上的矩形貼片的長度相對於輻射單元層的矩形貼片較長；天線基板為材料是聚四氟乙烯的圓盤形介質板。天線基板為圓盤形，厚度為1. 5mm,圓盤的半徑為30mm，基板採用介電常數為2. 65 的PTFE聚四氟乙烯材料。所述天線，包括6個矩形寄生貼片，在每個矩形貼片與中心圓形貼片連接的微帶線中插入1個射頻PIN 二極體，整個天線共插入6個二極體，每相鄰的兩個矩形寄生貼片採用兩個具有正極公共端的二極體，該公共端與中心圓形貼片之間連接一個電容，該公共端向外通過一個電感和一個電阻連接到單片機的正電壓Vcc上，從而使得這六個射頻二極體為共陽極二極體，每一個二極體的負極端通過一個電感連接到單片機的相應輸入輸出管腳。一種具有六波束選擇性的平面型方向圖可重構方法，藉助於具有六波束選擇性的平面型方向圖可重構天線實現，所述天線由天線基板、輻射單元層和接地板層所構成；輻射單元層位於天線基板的一面，接地板層位於天線基板的另一面；輻射單元層是由位於中心的有源圓形貼片和周圍環繞的矩形寄生貼片組成，矩形寄生貼片用作主輻射單元，矩形寄生貼片通過帶線和微帶線與天線中心圓形單元相連，在微帶線中插入射頻PIN 二極體，通過電路控制二極體的通斷狀態使環繞的矩形寄生貼片選擇性地向外輻射；天線的接地板層採用部分接地形式接地板由中心圓形貼片和等角度間隔的矩形貼片連接而成，接地板上的矩形貼片的長度相對於輻射單元層的矩形貼片較長；天線基板為材料是聚四氟乙烯的圓盤形；所述方法包括下列步驟在進行偏置電路控制時，先開始按微處理器復位鍵進行微處理器的初始化，然後根據需要選擇6個定向波束按鍵和1個掃描按鍵的一個按鍵，通過微處理器中模塊控制二極體通斷，決定天線需要的工作模式。本發明具有如下技術效果1.本發明中所提到的天線採用對稱結構，天線主要由中心有源圓形貼片和周圍寄生的六個矩形輻射單元組成。矩形貼片作為主輻射單元通過帶線和微帶線與天線中心單元相連，在微帶線中插入射頻PIN 二極體，通過控制二極體使得環繞的矩形輻射貼片選擇性的向外輻射，從而實現了六種方向圖重構。2.本發明中所提到的天線由於採用部分接地技術，使得天線俯仰角方向圖的最大增益方向位於水平面。3.本發明中提到的天線採用簡單的矩形貼片作為主要輻射單元，結構較為簡單， 易於加工。4.本發明提出的天線基板為圓盤形，該圓盤的半徑僅為30mm，厚度只有1. 5mm。尺寸相對同類情況大為減小。較小的天線尺寸既可以顯著減少生產成本，也可以提高天線的實際應用性。5.本發明中所提出的天線採用實際的射頻PIN 二極體，並且採用單片機(MCU)作為外圍控制電路，使所設計的天線具有更強的實用性和可操作性。
附圖1 天線及偏置控制電路的實物圖。附圖2 天線的結構圖。圖中D1_D6表示射頻PIN 二極體，Ll和Wl分別表示矩形輻射貼片的長度和寬度，L5和W2分別表示帶線的長度和寬度，L2和W3分別表示與帶線相連的微帶線的長度和寬度，L3表示微帶線與中間圓形貼片圓心之間的距離，W7和W6分別表示與中間圓形貼片相連的微帶線的寬度及中間較窄枝節的寬度，L6表示較窄枝節的長度， L7表示較窄枝節與中間圓形貼片之間的距離，Rl表示輻射單元層上中心圓形貼片的半徑； L4和W4分別表示接地板上矩形貼片的長度和寬度，W5表示相鄰兩個矩形貼片之間的距離， R2表示接地板上圓形貼片的半徑。附圖3 天線的偏置控制電路圖。附圖4 天線的頻率工作特性。附圖5 天線的方位角方向圖特性。附圖6 單片機的程序流程圖。
具體實施例方式本發明中所提到的天線設計是基於平面型對稱結構。天線主要是由輻射單元層和接地板層所構成。天線的饋電採用背面饋電。天線的輻射單元層是由位於中心的有源圓形貼片和周圍環繞的矩形寄生貼片組成。該天線選擇矩形貼片作為主輻射單元，極大地簡化了天線的結構。矩形輻射貼片通過帶線和微帶線與天線中心圓形單元相連，在微帶線中插入射頻PIN 二極體。通過控制二極體的通斷狀態使環繞的矩形輻射貼片選擇性地向外輻射。天線的接地板層採用部分接地技術。接地板由中心圓形貼片和等角度間隔的矩形貼片連接而成。接地板上的矩形貼片的長度相對於輻射單元層的矩形貼片較長，對位於其左右方的矩形輻射單元具有一定的反射作用，有利於定向波束的形成。整個天線基板為圓盤形，厚度為1.5mm，圓盤的半徑為30mm，基板採用介電常數為2. 65的PTFE (聚四氟乙烯)材料。此外，本發明所提到的天線中的射頻PIN 二極體的通斷狀態是由與該天線相連接的偏置電路來控制實現的。控制電路主要是通過採用Atmel 89S52單片機以及載入自主編寫的程序代碼來實現的。所採用的射頻PIN 二極體的型號為Skyworks公司的 SMP1345-79LF，控制電源可由單片機燒寫器來提供，也可由型號為CR1220的紐扣電池來獨立供電。針對目前國內外對平面型方向圖可重構天線研究的現狀，本發明中的天線具有以下顯著的特點1.目前平面型方向圖可重構天線的重構次數一般以2-4次為主，具有較多次方向圖重構特性的天線設計較少。本發明中所提到的天線採用對稱結構，天線主要由中心有源圓形貼片和周圍寄生的六個矩形輻射單元組成。矩形貼片作為主輻射單元通過帶線和微帶線與天線中心單元相連，在微帶線中插入射頻PIN 二極體，通過控制二極體使得環繞的矩形輻射貼片選擇性的向外輻射，從而實現了六種方向圖重構。2.現在大多數同類天線的俯仰角方向圖的最大增益方向一般都不等於90度，即不在水平面上，如文獻[8-9]中天線一樣。本發明中所提到的天線由於採用部分接地技術， 使得天線俯仰角方向圖的最大增益方向位於水平面。
3.現在大部分天線的結構設計相對複雜。本發明中提到的天線採用簡單的矩形貼片作為主要輻射單元，結構較為簡單，易於加工。4.現在同類方向圖可重構天線的設計尺寸較大，不能滿足現代通信對天線小型化的要求。本發明提出的天線基板為圓盤形，該圓盤的半徑僅為30mm，厚度只有1.5mm。尺寸相對同類情況大為減小。較小的天線尺寸既可以顯著減少生產成本，也可以提高天線的實際應用性。5.目前所設計的方向圖可重構天線，其控制開關大部分為理想的，即採用銅片的有無來代替實際開關的通斷，而真正採用實際開關及控制電路的較少。本發明中所提出的天線採用實際的射頻PIN 二極體，並且採用單片機(MCU)作為外圍控制電路，使所設計的天線具有更強的實用性和可操作性。下面結合附圖和實施例進一步詳細說明本發明。本發明中所提到的天線採用Ansoft HFSS軟體進行設計仿真。所設計天線的基板為半徑為30mm的圓盤形介質板。介質板採用介電常數為2. 65，厚度為1. 5mm的聚四氟乙烯 (PTFE)材料。天線的結構如圖2所示，天線結構圖中的具體結構尺寸如表1所示。天線的偏置控制電路圖如圖3所示。偏置電路中的射頻PIN二極體採用Skyworks 公司的SMP1345-79LF (工作頻率可達到6GHz)，集總元件電阻、電感和電容的參數值如表2 所示。控制電路中的MCU為Atmel 89S52單片機。通過對單片機載入程序，可以控制天線實現相應的方向圖重構特性。電路圖中的電容都是起「隔直流通交流」的作用，電感都是起 「隔交流通直流的作用」，電阻起調節電路中電流大小的作用。如圖3所示，從天線上引出了 9根控制線，其中與電感L2，L5和L8連接的3條導線是直接連到單片機的正電壓Vcc上，使得這6個射頻二極體處於共陽極狀態。其餘6根線分別接到單片機Atmel 89S52單片機的PO. 0 P0. 5埠上，通過控制這6個埠的高低電平來控制二極體的通斷狀態，即低電平使得該埠二極體導通，高電平使得該埠二極體反向截止。單片機的Pl. 0 Pl. 6埠接一個8段數碼管，用於顯示天線工作在幾號波束上。單片機的P3.0 P3.6接7個控制按鍵(6個定向波束按鍵和1個掃描按鍵)。另外一個按鍵是單片機的復位鍵。如圖6所示，在進行偏置電路控制時，先開始按復位鍵進行單片機的初始化，然後根據需要選擇按鍵(6個定向波束按鍵和1個掃描按鍵)，決定天線需要的工作模式，因為這些工作模式(6種定向模式和1種掃描模式)是相互獨立工作的，所以不存在相互影響。在天線工作的時候，可以隨時按鍵切換到其他的工作模式。綜上，總共從天線上引出9根線與控制電路相連。通過矢量網絡分析儀Agilent E5071B以及微波暗室對本專利中所提到的天線實物進行測試，測試結果與仿真結果具有較好的一致性，進一步驗證本設計的有效性和可行性。表1天線的結構尺寸(單位mm)
權利要求
1.一種具有六波束選擇性的平面型方向圖可重構天線，其特徵是，由天線基板、輻射單元層和接地板層所構成，輻射單元層位於天線基板的一面，接地板層位於天線基板的另一面，輻射單元層是由位於中心的有源圓形貼片和周圍環繞的矩形寄生貼片組成，矩形寄生貼片用作主輻射單元，矩形寄生貼片通過帶線和微帶線與天線中心圓形單元相連，在微帶線中插入射頻PIN 二極體，通過電路控制二極體的通斷狀態使環繞的矩形寄生貼片選擇性地向外輻射；天線的接地板層採用部分接地形式接地板由中心圓形貼片和等角度間隔的矩形貼片連接而成，接地板上的矩形貼片的長度相對於輻射單元層的矩形貼片較長；天線基板為材料是聚四氟乙烯的圓盤形介質板。
2.如權利要求1所述天線，其特徵是，天線基板為圓盤形，厚度為1.5mm,圓盤的半徑為 30mm，基板採用介電常數為2. 65的Ρ Ε聚四氟乙烯材料。
3.如權利要求1所述天線，其特徵是，包括6個矩形寄生貼片，在每個矩形貼片與中心圓形貼片連接的微帶線中插入1個射頻PIN 二極體，整個天線共插入6個二極體，每相鄰的兩個矩形寄生貼片採用兩個具有正極公共端的二極體，該公共端與中心圓形貼片之間連接一個電容，該公共端向外通過一個電感和一個電阻連接到單片機的正電壓Vcc上，從而使得這六個射頻二極體為共陽極二極體，每一個二極體的負極端通過一個電感連接到單片機的相應輸入輸出管腳。
4.一種具有六波束選擇性的平面型方向圖可重構方法，其特徵是，藉助於具有六波束選擇性的平面型方向圖可重構天線實現，所述天線由天線基板、輻射單元層和接地板層所構成；輻射單元層位於天線基板的一面，接地板層位於天線基板的另一面；輻射單元層是由位於中心的有源圓形貼片和周圍環繞的矩形寄生貼片組成，矩形寄生貼片用作主輻射單元，矩形寄生貼片通過帶線和微帶線與天線中心圓形單元相連，在微帶線中插入射頻PIN 二極體，通過電路控制二極體的通斷狀態使環繞的矩形寄生貼片選擇性地向外輻射；天線的接地板層採用部分接地形式接地板由中心圓形貼片和等角度間隔的矩形貼片連接而成，接地板上的矩形貼片的長度相對於輻射單元層的矩形貼片較長；天線基板為材料是聚四氟乙烯的圓盤形；所述方法包括下列步驟在進行偏置電路控制時，先開始按微處理器復位鍵進行微處理器的初始化，然後根據需要選擇6個定向波束按鍵和1個掃描按鍵的一個按鍵，通過微處理器中模塊控制二極體通斷，決定天線需要的工作模式。
全文摘要
本發明涉及無線通信中的天線。提供一種能夠進行更多方向圖重構的天線，且更具實用性，本發明採取的技術方案是，具有六波束選擇性的平面型方向圖可重構天線由天線基板、輻射單元層和接地板層所構成，輻射單元層是由位於中心的有源圓形貼片和周圍環繞的矩形寄生貼片組成；矩形寄生貼片通過帶線和微帶線與天線中心圓形單元相連，在微帶線中插入射頻PIN二極體，通過控制二極體的通斷狀態使環繞的矩形寄生貼片選擇性地向外輻射，天線的接地板層採用部分接地形式，接地板由中心圓形貼片和等角度間隔的矩形貼片連接而成，此外還包括天線基板，天線基板為材料是聚四氟乙烯的圓盤形。本發明主要應用於天線設計製造。
文檔編號H01Q3/01GK102437423SQ20111026779
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月9日 優先權日2011年9月9日
發明者冷文, 王安國, 蔡曉濤, 馬寧 申請人:天津大學