阅读说明：本技术 一种极化和方向图复合可重构天线 (Polarization and directional diagram composite reconfigurable antenna ) 是由 李文涛 魏萌 王一鸣 蘧浩天 史小卫 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种极化和方向图复合可重构天线,用于解决现有技术中存在的可重构极化状态少,由于天线单元馈电端口多,导致的馈电系统复杂的技术问题,包括上下层叠的第一介质基板和第二介质基板,其中,在第一介质基板上表面加载有射频开关,包括用于连接十字型金属贴片和矩形贴片的等效射频开关和用于连接不同寄生像素贴片的理想射频开关,通过控制这些射频开关的连通与断开状态,天线可以实现三种极化状态,分别为线极化、左旋圆极化和右旋圆极化,且在每种极化状态下,利用可重构的寄生像素贴片都可使主波束发生偏转,可应用于遥感遥测、无线通讯等领域。(The invention provides a polarization and directional diagram composite reconfigurable antenna, which is used for solving the problems that the reconfigurable polarization state is few in the prior art, the technical problem of complex feeding system caused by a plurality of feeding ports of the antenna unit comprises a first dielectric substrate and a second dielectric substrate which are stacked up and down, wherein, the upper surface of the first dielectric substrate is loaded with a radio frequency switch which comprises an equivalent radio frequency switch used for connecting the cross-shaped metal patch and the rectangular patch and an ideal radio frequency switch used for connecting different parasitic pixel patches, by controlling the on and off states of the RF switches, the antenna can realize three polarization states, namely linear polarization, left-hand circular polarization and right-hand circular polarization, in each polarization state, the main beam can be deflected by using the reconfigurable parasitic pixel patch, and the method can be applied to the fields of remote sensing and remote measuring, wireless communication and the like.)

一种极化和方向图复合可重构天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种极化和方向图复合可重构天线，可应用于遥感遥测、无线通讯等领域。

背景技术

随着科学技术的进步，人们对信息的需求量前所未有地增加，使得通信技术得到突飞猛进地发展。作为通信领域的一个重要分支，无线通信因其摆脱了对物理传输线的依赖，在国防、民生等各个领域得到了广泛应用。而天线是无线电设备的信息出入口，天线性能的优劣直接影响整个无线通信系统的通信质量。

现如今无线通信逐步加速进入多功能、大容量、超宽带时代，现代无线通信系统迅猛的发展直接导致同一平台上的子系统数量越来越多，与此同时天线的数量也相应增加。随着同一平台上天线数量的增加，大体积、高成本、电磁兼容等问题也同步出现。为了解决这些问题，可重构天线被研发出来，它可以根据不同环境的使用要求改变天线工作频率、辐射方向图和极化方式等特性，从而满足无线通信系统需求。频率可重构天线可以提高通信系统频谱利用率；方向图可重构天线可以节约通信系统能量，提高通信系统安全性；极化可重构天线可以增加额外的收发信道，在极化分集、频分复用等方面有巨大贡献，另外，极化可重构天线对于多径效应造成的信号衰落也有一定的抑制作用，提高系统对干扰信号的免疫能力。

国内外学者对于可重构天线的研究主要集中在极化可重构天线和方向图可重构天线，提出多种极化或方向图单独可重构的天线设计方案。然而，天线的极化和方向图同时可重构可以提高空间自由度，从而提高无线通信系统的系统容量，解决通信中的极化失配的问题，还可以避免系统间电子干扰，提高频谱利用率，改善通信系统的传输速率。另外，为了在接收天线端能够得到最大信号幅度值，在发射不同频率高频波的时候需要匹配特定极化方式选择不同的极化波传输，因此，在设计极化可重构天线时，应尽可能的使天线的可重构极化数最大化。然而，现在的一些极化和方向图复合可重构的天线，在实现极化可重构时，仅仅在左旋圆极化和右旋圆极化之间切换，或者在水平极化和垂直极化之间切换，这类天线很少能够实现圆极化和线极化之间的切换。

例如申请公开号为CN108963472A，名称为“一种方向图、极化可重构天线”的专利申请，公开了一种方向图、极化可重构天线，包括四个天线单元和四个与天线单元一一对应的开关，每个天线单元具有两对可控的微扰部分，两对可控的微扰部分分别与所在天线单元对应的开关相连，开关用于控制微扰部分的状态从而改变对电流的扰动；每个天线单元包括三个馈电端口，各天线单元的馈电端口分别由馈电探针经传输线与所在天线单元对应的开关相连所述传输线经过第一等相位等幅度功率分配器分成两部分，每一部分再分别经过一个第二等相位等幅度功率分配器分成两部分，最终分成的四部分分别连接四个开关。该天线为三层结构，通过控制开关改变天线单元馈电端口的状态，从而改变天线阵列的方向图，通过控制开关切换两对可控微扰部分，从而改变对电流的扰动，实现左旋圆极化和右旋圆极化的切换。该天线虽然实现了极化和方向图的可重构，但是其存在的不足之处在于天线只能在左旋圆极化和右旋圆极化状态之间切换，另外，天线单元采用了多端口，导致馈电系统复杂，天线设计难度增加，因此，在实际应用中会受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种极化和方向图复合可重构天线，用于解决现有技术中存在的可重构极化状态少，由于天线单元馈电端口多，导致的馈电系统复杂的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种极化和方向图复合可重构天线，包括上下层叠的第一介质基板1和第二介质基板2：

所述第一介质基板1上表面的中心位置印制有驱动单元3，该驱动单元3的周边印制有多个周期性排布的寄生像素贴片4；所述驱动单元3包括十字型金属贴片31和位于该十字型金属贴片31四个角空间位置的矩形贴片32，所述的四个矩形贴片32分别通过一个或多个等效射频开关33与十字型金属贴片31连接，且每个矩形贴片32各连接一个射频扼流电感34，通过对等效射频开关33连通与断开状态的控制，实现天线的极化可重构特性；所述寄生像素贴片4采用矩形结构，相邻寄生像素贴片4之间通过理想射频开关5连接，通过对理想射频开关5连通与断开状态的控制，实现天线的方向图可重构特性；

所述第二介质基板2的上表面印制有金属微带线6，下表面印制有金属地板7和位于第一射频扼流电感34在第二介质基板2下表面的投影位置的第二射频扼流电感8；

所述第一射频扼流电感34通过金属化过孔与第二介质基板2下表面的第二射频扼流电感8的一端相连，第二射频扼流电感8的另一端与金属地板7连接。

上述一种极化和方向图复合可重构天线，所述十字型金属贴片31的中心，位于第一介质基板1的中心法线上。

上述一种极化和方向图复合可重构天线，所述矩形贴片32的中心，位于十字型金属贴片31的对角线上，且四个矩形贴片32与十字型金属贴片31中心的距离相等。

上述一种极化和方向图复合可重构天线，所述多个周期性排布的寄生像素贴片4，其所形成的寄生像素贴片阵列的四个角的位置，各空缺一个寄生像素贴片4，且寄生像素贴片阵列的中心与十字型金属贴片31的中心重合。

上述一种极化和方向图复合可重构天线，所述寄生像素贴片4的形状为矩形，其每个边的中点位置设置有矩形凸起。

上述一种极化和方向图复合可重构天线，所述等效射频开关33和理想射频开关5，采用微电子机械系统开关、PIN型二极管开关和场效应管开关中的任意一种。

上述一种极化和方向图复合可重构天线，所述第一介质基板1和第二介质基板2，采用相对介电常数为2.65的板材。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

①本发明通过控制加载在十字型金属贴片和矩形贴片之间的等效射频开关的通断状态，可以实现天线的左旋圆极化、右旋圆极化和线极化特性；通过控制加载在不同寄生像素贴片之间的理想射频开关的通断状态，可以实现天线的方向图可重构特性。解决了现有技术中存在的可重构极化状态少的技术问题；

②本发明只有一个馈电端口，避免了现有技术中存在的由于天线单元馈电端口多，导致的馈电系统复杂的技术问题，使得本发明结构简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明第一介质基板上表面的俯视图；

图3是本发明第二介质基板的结构示意图；

图4是本发明实施例工作在左旋圆极化状态下，四种偏转角度对应的第一介质基板上表面的拓扑结构图；

图5是本发明实施例工作在右旋圆极化状态下，四种偏转角度对应的第一介质基板上表面的拓扑结构图；

图6是本发明实施例工作在线极化状态下，三种偏转角度对应的第一介质基板上表面的拓扑结构图；

图7是本发明实施例在天线方向图不发生偏转的情况下，天线工作在三种极化状态下的反射系数、轴比和增益仿真结果图；

图8是本发明实施例工作在左旋圆极化状态下，四种偏转角度对应的反射系数和轴比仿真结果图；

图9是本发明实施例工作在左旋圆极化状态下，四种偏转角度在频率f＝4.72GHz时phi＝0°面的辐射方向图；

图10是本发明实施例工作在右旋圆极化状态下，四种偏转角度对应的反射系数和轴比仿真结果图；

图11是本发明实施例工作在右旋圆极化状态下，四种偏转角度在频率f＝4.72GHz时phi＝0°面的辐射方向图；

图12是本发明实施例工作在线极化状态下，三种偏转角度对应的反射系数仿真结果图；

图13是本发明实施例工作在线极化状态下，三种偏转角度在频率f＝4.72GHz时phi＝0°面的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

参考图1，本发明包括上下层叠的第一介质基板1和第二介质基板2，其中，第一介质基板1的厚度为1mm，采用介电常数为2.65，损耗角正切为0.002的方形F4BM材料，其边长为80mm；第二介质基板2的厚度为1mm，采用与第一介质基板1相同的材料，其物理尺寸为80mm×86mm；考虑到实测过程同轴头的焊接，因此，设计的第二介质基板2的长边要比第一介质基板1长，就图中坐标系而言，第二介质基板2沿x轴正向的一端与第一介质基板1沿x轴正向的一端对齐；

所述第一介质基板1上表面的中心位置印制有驱动单元3，该驱动单元3的周边印制有28个周期性排布的寄生像素贴片4，其具体结构如图2所示；

所述驱动单元3包括十字型金属贴片31和位于该十字型金属贴片31四个角空间位置的边长为w3＝2.2mm的矩形贴片32，所述十字型金属贴片31的中心，位于第一介质基板1的中心法线上，所述矩形贴片32的中心，位于十字型金属贴片31的对角线上，且四个矩形贴片32与十字型金属贴片31中心的距离相等，所述十字型金属贴片31和四个矩形贴片32组成一个带有4个槽宽为wr＝0.8mm的“L”型槽的边长为(2×w3+2×wr+l2)＝17.8mm的方形贴片，并且在4个“L”型槽的对角上加载有用于连接十字型金属贴片31和矩形贴片32的4个等效射频开关33，另外，每个矩形贴片32各连接一个电感值为100nH的第一射频扼流电感34，通过对4个等效射频开关33连通与断开状态的控制，实现天线的极化可重构特性；

所述寄生像素贴片4由边长为9.4mm的方形金属贴片经过变形得到，变形过程为在方形金属贴片每个边的中点位置设置有一个尺寸为2mm×1mm的矩形凸起，且设置的矩形凸起的长边与方形金属贴片相连；相邻寄生像素贴片4之间通过理想射频开关5连接，通过对理想射频开关5连通与断开状态的控制，实现天线的方向图可重构特性；设计过程中，为了减少理想射频开关5的使用数量以及在更大的偏转角度下实现天线的圆极化特性，在由寄生像素贴片4所形成的寄生像素贴片阵列的四个角的位置，各空缺一个寄生像素贴片4，以模拟切角，产生微扰，另外，寄生像素贴片阵列的中心与十字型金属贴片31的中心重合；

所述等效射频开关33和理想射频开关5，采用微电子机械系统开关、PIN型二极管开关和场效应管开关中的任意一种，这里采用PIN型二极管开关；其中，等效射频开关33，用阻值为3.5Ω的电阻模拟开关导通状态，用阻值为2.6kΩ的电阻和容值为0.17pF的电容的并联模拟开关断开状态；理想射频开关5，用金属片理想等效；

所述第二介质基板2的上表面印制有尺寸为41mm×1.5mm的金属微带线6，下表面印制有尺寸为86mm×80mm的金属地板7和位于第一射频扼流电感34在第二介质基板2下表面的投影位置的第二射频扼流电感8，具体结构如图3所示，其中，第二射频扼流电感8的电感值为100nH；

所述第一射频扼流电感34通过金属化过孔与第二介质基板2下表面的第二射频扼流电感8的一端相连，第二射频扼流电感8的另一端与金属地板7连接，通过在地板一侧设置偏置电路，减小了偏置电路对天线辐射性能的影响；

对天线进行加工，焊接同轴头，其内芯与印制在第二介质基板2上表面的金属微带线6相连，外皮与印制在第二介质基板2下表面的金属地板7相连。

本发明的工作原理如下：

本发明通过金属微带线6对第一介质基板上表面的驱动单元3进行耦合馈电，通过控制加载在“L”型槽对角上的两对等效射频开关33的通断状态，实现天线的极化可重构状态。参考图2中的坐标系，当位于第一象限和第三象限的等效射频开关33断开，位于第二象限和第四象限的等效射频开关33导通时，天线工作在左旋圆极化状态下；当位于第一象限和第三象限的等效射频开关33导通，位于第二象限和第四象限的等效射频开关33断开时，天线工作在右旋圆极化状态下；当位于第一象限、第二象限、第三象限和第四象限的等效射频开关33都断开时，天线工作在线极化状态下；

通过控制连接在不同寄生像素贴片4之间的理想射频开关5的通断，实现天线在phi＝0°面的方向图可重构。当天线工作在左旋圆极化状态时，通过控制理想射频开关5的通断，对天线的辐射特性进行了探索，在phi＝0°面上实现了四种可切换的方向图，对应的第一介质基板上表面的拓扑结构分别如图4(a)、4(b)、4(c)和4(d)所示；当天线工作在右旋圆极化状态时，通过控制理想射频开关5的通断，对天线的辐射特性进行了探索，在phi＝0°面上实现了四种可切换的方向图，对应的第一介质基板上表面的拓扑结构分别如图5(a)、5(b)、5(c)和5(d)所示；当天线工作在线极化状态时，通过控制理想射频开关5的通断，对天线的辐射特性进行了探索，在phi＝0°面上实现了三种可切换的方向图，对应的第一介质基板上表面的拓扑结构分别如图6(a)、6(b)和6(c)所示。

本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：

1、仿真内容

1.1利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明实施例在天线方向图不发生偏转的情况下，天线工作在三种极化状态下的反射系数、轴比和增益进行仿真计算，结果如图7(a)和7(b)所示。

1.2利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明实施例工作在左旋圆极化状态下，四种偏转角度对应的反射系数和轴比进行仿真计算，结果如图8(a)和8(b)所示。

1.3利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明实施例工作在左旋圆极化状态下，四种偏转角度在频率f＝4.72GHz时phi＝0°面的辐射方向图进行仿真计算，结果如图9(a)、9(b)、9(c)和9(d)所示。

1.4利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明实施例工作在右旋圆极化状态下，四种偏转角度对应的反射系数和轴比进行仿真计算，结果如图10(a)和10(b)所示。

1.5利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明实施例工作在右旋圆极化状态下，四种偏转角度在频率f＝4.72GHz时phi＝0°面的辐射方向图进行仿真计算，结果如图11(a)、11(b)、11(c)和11(d)所示

1.6利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明实施例工作在线极化状态下，三种偏转角度对应的反射系数进行仿真计算，结果如图12所示。

1.7利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明实施例工作在线极化状态下，三种偏转角度在频率f＝4.72GHz时phi＝0°面的辐射方向图进行仿真计算，结果如图13(a)、13(b)和13(c)所示。

2、仿真结果

参照图7，在4.72GHz左右，线极化态和圆极化态的反射系数都在-10dB以下，且在该工作频率附近，左旋圆极化、右旋圆极化和线极化三种极化状态下的侧向增益分别约为7.02dBi、7.05dBi和6.32dBi。另外，圆极化状态的轴比在4.72GHz左右均低于3dB。

参照图8，四种波束指向下的天线反射系数在4.5GHz～4.85GHz的工作频率下均低于-10dB，公共带宽为350MHz。另外，由图还可知，四种波束指向下，天线工作在频率4.72GHz下的轴比都低于3dB。

参照图9，当偏转0°时，主极化方式为左旋圆极化，最大增益为7.02dBi，交叉极化抑制比为20dB；当偏转-21°时，主极化方式不变，最大增益为6.95dBi，交叉极化抑制比为18.9dB；当偏转23°时，主极化方式仍保持不变，此时，最大增益为6.46dBi，交叉极化抑制比为18.4dB；当偏转31°时，主极化方式仍为左旋圆极化，此时，最大增益为6.14dBi，交叉极化抑制比为16.1dB。由此可知，保证了方向图可重构时的极化和频率的一致性。

参照图10，四种波束指向下的天线反射系数在4.5GHz～4.85GHz的工作频率下均低于-10dB，公共带宽为350MHz。另外，由图还可知，四种波束指向下，天线工作在频率4.72GHz下的轴比都低于3dB。

参照图11，在四种偏转角度下，天线的主极化方式都为右旋圆极化，且当偏转0°时，主极化最大增益为7.05dBi，交叉极化抑制比为23.7dB；当偏转-16°时，主极化最大增益为6.21dBi，交叉极化抑制比为21.2dB；当偏转18°时，主极化最大增益为7.47dBi，交叉极化抑制比为20.2dB；当偏转31°时，此时，主极化最大增益为6.17dBi，交叉极化抑制比为15.34dB。由此可知，保证了方向图可重构时的极化和频率的一致性。

参照图12，三种波束指向下的天线反射系数在4.64GHz～4.74GHz的工作频率下均低于-10dB，公共带宽为100MHz。

参照图13，在三种偏转角度下，天线的极化方式均为线极化，且当偏转0°时，主极化最大增益为6.32dBi，交叉极化抑制比为54.2dB；当偏转-35°时，主极化最大增益为8.4dBi，交叉极化抑制比为20.3dB；当偏转35°时，主极化最大增益为7.99dBi，交叉极化抑制比为14.1dB。由此可知，保证了方向图可重构时的极化和频率的一致性。

以上是对本发明的一个具体实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，再了解接本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理和结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求和保护范围内。