阅读说明：本技术 一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线 (Double-linear polarization and double-circular polarization four-port reconfigurable dielectric resonant antenna ) 是由 陈智娇 江雨键 俞俊生 姚远 亓丽梅 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线,属于无线通信领域。从上到下依次为圆形介质块、两层介质块、介质馈板、介质基板、同轴探针和底部馈电网络。圆形介质块下方通过介质馈板与介质基板固定,固定连接处通孔中穿过同轴探针。两层介质块固定在介质基板中心,在介质基板中心留有缝隙。介质基板下表面分布底部馈电网络,在每个角上设置一个端口。圆形介质块通过同轴探针连接底部馈电网络,对应连接一、四端口,激励线极化,切换馈电端口实现水平和垂直极化方向上的可重构；两层介质块通过缝隙与底部馈电网络耦合,对应连接二、三端口,激励圆极化,切换馈电端口实现左旋和右旋圆极化的可重构。本发明实现多种可重构配置。(The invention discloses a dual-linear polarization and dual-circular polarization four-port reconfigurable dielectric resonant antenna, and belongs to the field of wireless communication. The feed line comprises a circular dielectric block, two layers of dielectric blocks, a dielectric feed plate, a dielectric substrate, a coaxial probe and a bottom feed network from top to bottom in sequence. The lower part of the circular medium block is fixed with the medium substrate through the medium feed plate, and the coaxial probe penetrates through the through hole at the fixed connection part. The two layers of dielectric blocks are fixed at the center of the dielectric substrate, and a gap is reserved at the center of the dielectric substrate. And a bottom feed network is distributed on the lower surface of the dielectric substrate, and a port is arranged at each corner. The circular dielectric block is connected with a bottom feed network through a coaxial probe, is correspondingly connected with a first port and a fourth port, excites linear polarization, and switches feed ports to realize reconfiguration in horizontal and vertical polarization directions; the two layers of dielectric blocks are coupled with the bottom feed network through gaps, are correspondingly connected with the two ports and the three ports, excite circular polarization, and switch the feed ports to realize reconfiguration of left-hand circular polarization and right-hand circular polarization. The invention realizes various reconfigurable configurations.)

一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体是指一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线。

背景技术

在过去的几十年中，介质谐振天线由于是由低损耗微波介电材料组成，所以被广泛研究使用，其谐振频率由谐振器的尺寸，形状和相对介电常数决定。

现有的研究工作主要集中在线性极化介质谐振天线，同时圆极化介质谐振天线也因其能够提供更稳定的链路和抗多径失真的能力而受到更多关注。2018年6月13日，圣地亚哥的3GPP会议设定了第一个国际5G标准，包括两个频谱范围：FR1从450MHz到6000MHz，通常称为Sub-6GHz和FR2从24250MHz到52600MHz。基于该标准，将研究和设计在相关频段工作的更多天线。

介质谐振天线(DRA)具有高效率，宽带宽，易激励，尺寸紧凑和设计自由度高等优势，在现代无线通信系统中引起了广泛关注。介质谐振块的基本形状有多种选择性，如矩形，圆柱形或半球形，设计具有很大的灵活性。介电常数的选择范围很大(6－140)，允许设计者灵活控制尺寸和带宽；介质谐振器天线通过整个谐振器表面进行辐射，没有导体和表面波损耗而自身介质损耗又小，其辐射效率很高。天线馈电方式较多，包括探针馈电，缝隙耦合馈电，微带线馈电，共面波导馈电和介质镜像波导馈电等，并且其它天线的馈电技术都比较容易地应用到介质谐振器天线中，可以激励起多种模式，针对不同的覆盖要求可产生宽边或圆锥型的辐射模式。介质谐振器天线加工简单，成本较低，便于集成设计。基于以上优点，介质谐振天线已广泛应用于雷达系统、移动卫星通信和相控阵天线等诸多领域，在5G应用中显示出潜在的应用价值。

可重构也是介质谐振天线的一个研究热点，自1999年美国国防高级研究计划局提出并组建RECAP可重构研究项目开始至今，可重构因其本身可以大幅减少系统中器件的数量，降低系统复杂度、体积及成本的特点，使它成为了无线通信、卫星通信、成像和探测系统中的一个重要发展方向。可重构带来了工作频率可变、软件定义基站和智能射频系统可以适应多用户、多标准、多频带的工作场景。人们利用现有的一些技术改变天线上分布的电流，从而改变了天线周围的电磁场分布，以此来实现天线可重构的特性。

可重构天线按功能分为频率可重构天线、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。通过改变可重构天线的表面电流的分布、物理结构、馈电网络或辐射边实现可以使天线的频率、波瓣图以及极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构，来适应环境的变化与复杂的系统需求。

发明内容

本发明针对现有的可重构介质谐振天线只能实现一种可重构功能，并且底部馈电网络复杂的问题，提出了一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线，可实现极化模式和辐射模式的重新配置。

所述的四端口可重构介质谐振天线从上到下依次包括圆形介质谐振块、两层介质谐振块、介质谐振馈板、介质基板、同轴探针和底部馈电网络；

进一步两层介质谐振块替换为三层介质谐振块或四层介质谐振块；

顶部圆形介质谐振块下方左右两侧对称位置安装介质谐振馈板，介质谐振馈板通过焊锡与介质基板固定，对圆形介质谐振块进行支撑。

介质谐振馈板表面通过导电胶贴有铜箔贴片；在介质谐振馈板外侧与介质基板连接的位置设有通孔，用于穿过同轴探针。同轴探针共有2根，上端面分别与两个介质谐振馈板焊接固定，下端面与介质基板的下表面齐平，连接底部馈电网络；

两层介质谐振块包括大小相同介电常数不同的上下两层介质谐振块，通过导电胶粘贴在一起；上层介质谐振块的介电常数大于下层介质谐振块的介电常数；两层介质谐振块选用圆形，且半径小于顶部圆形介质谐振块的半径，两者圆心重合。

两层介质谐振块的上表面与顶部圆形介质谐振块的下表面之间无要求；两层介质谐振块的下表面固定在介质基板上表面的中心，且与介质基板之间留有缝隙；

具体为：

介质基板的上表面具有铜镀层，但是，在两层介质谐振块的正下方中心的介质基板上留有四条小矩形空白作为缝隙，相当于引入第二谐振结构，通过调整缝隙条的大小使缝隙的工作频段与介质谐振块位于同一范围，从而实现拓展带宽的目的。

缝隙的形状为米字型缝隙，十字形缝隙或者四条矩形左右任意旋转构成的图案；

介质基板为长方形板材，下表面底部分布馈电网络。介质基板采用四端口激励的形式，在每个角上分别设置一个端口，沿顺时针方向分别命名为第一端口、第二端口、第三端口以及第四端口。

底部馈电网络的每个端口分别连接一条微带线和各自对应的延长线，第一端口和第四端口通过各自的延长线与正交耦合馈电网络连接，两个端口在微带线延长线的末端分别各连接通孔中的一个同轴探针；第二端口和第三端口通过延长线与半圆形微带线结构连接。

进一步底部馈电网络的微带线宽度通过tx-line软件计算得出；

通过第一端口馈电，则第一端口到同轴探针之间的微带线长度和第四端口到同轴探针之间的微带线长度之差为0，对应的第一端口和第四端口之间相位差为0°。

通过第四端口馈电，则第一端口到同轴探针之间的微带线长度和第四端口到同轴探针之间的微带线长度之差为1/2λ，对应的到达第一端口和第四端口之间的相位差为180°。

圆形介质谐振块通过与介质谐振馈板连接的同轴探针连接底部馈电网络，然后底部馈电网络对应连接介质基板的第一端口和第四端口，实现激励线性极化；

通过对第二端口和第三端口对应的微带线延长线进行弯曲或者调整位置，使得底部馈电网络的结构与上方两层介质谐振块位于介质基板中央，两层介质谐振块通过镀铜层缝隙与底部馈电网络实现耦合馈电，底部馈电网络对应连接介质基板的第二端口和第三端口，实现激励圆极化。

对于第一端口和第四端口，由于两个端口之间的相位差为0°和180°，通过改变馈电端口实现水平线极化(x-LP)或者垂直线极化(y-LP)，得到苹果状的辐射方向图和圆形的辐射方向图，实现了可重新配置的辐射模式。对于第二端口和第三端口，通过圆形微带线实现的相位差能实现圆极化，使天线实现了极化模式可重构的功能。

本发明的优点在于：

1、本发明一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线，在同一天线结构中采用多端口激励的形式，激励不同端口实现多种谐振模式，相比于现有研究中只关注极化或模式的单一性可重构，在本发明中初次整合这两个功能。

2、本发明一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线，圆形介质谐振块和多介电层介质谐振块都用于实现多种可重构配置。同时，在介质基板镀铜层上引入了优化设计后的缝隙，增加了带宽。

3、本发明一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线，采用改进的混合正交耦合网络和圆形结构微带线延长线作为底部馈电网络，提供稳定的相位差，使用PCB板印刷技术在FR-4上印刷馈电网络，并且使用3D打印进行加工，达到低成本以及易加工制造的目的。

4、本发明一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线，通过引入多介电层介质谐振块以及合理布局与设计，减少端口之间耦合。

5、本发明一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线，通过改变馈电端口实现了线极化在水平与垂直极化方向上的辐射模式可重构，实现了圆极化在左旋与右旋之间的模式可重构，以及实现了圆极化与线极化之间的极化模式可重构。

附图说明

图1为本发明一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线的结构示意图；

图2为本发明一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线的底部馈电网络的结构示意图；

图3为本发明一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线的镀铜层缝隙结构示意图；

图4为本发明实施例中的双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线的不同端口馈电时e面和h面的主极化与交叉极化辐射方向图；其中，图4a为第二端口辐射方向图，图4b为第三端口辐射方向图，图4c为第四端口辐射方向图；

图5为本发明实施例中的双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线的不同端口馈电S参数图。

图中：

1-圆形介质谐振块；2-两层介质谐振块；3-介质谐振馈板；4-第一端口；5-第四端口；6-第二端口；7-第三端口；8-介质基板；9-通孔；10-同轴探针；11-微带线延长线。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线，在同一天线结构中集成多种功能，是一种创新且具有挑战性的结构；使用了圆形介质谐振块和多介电层介质谐振块结构，并且在介质基板的镀铜层上引入缝隙来增加带宽。此外，使用改进的混合正交耦合网络和圆形微带线延长线来提供稳定的相位差，同时实现了两个极化方向上辐射模式可重构以及极化方式可重构。

一种双线极化加双圆极化四端口可重构介质谐振天线，其结构如图1所示，从上到下依次包括圆形介质谐振块1、两层介质谐振块2、介质谐振馈板3、介质基板8、两根同轴探针10和底部馈电网络；

进一步两层介质谐振块2替换为三层介质谐振块或四层介质谐振块。

圆形介质谐振块1下方左右两侧对称位置安装介质谐振馈板3，介质谐振馈板3通过焊锡与介质基板8固定，对圆形介质谐振块1进行支撑。介质谐振馈板3表面通过导电胶贴有铜箔贴片；在介质谐振馈板3外侧与介质基板8连接的位置设有通孔9，用于贯穿同轴探针10。同轴探针共有2根，上端面分别与两个介质谐振馈板3焊接固定，下端面与介质基板8的下表面齐平，连接底部馈电网络11；

介质基板8为长方形板材，上表面具有铜镀层，在上表面中心固定两层介质谐振块2，两层介质谐振块2选用圆形，包括介电常数不同的上下两层介质谐振块，上层介质谐振块的介电常数大于下层介质谐振块的介电常数；两层介质谐振块2通过导电胶固定在一起，两层介质谐振块2的半径小于圆形介质谐振块1的半径，两者圆心重合。

两层介质谐振块2的上表面与圆形介质谐振块1的下表面之间贴合放置或者留有缝隙都行；

两层介质谐振块2的下表面与介质基板8之间留有不镀铜的空气缝隙，相当于引入第二谐振结构，通过调整缝隙的大小使缝隙的工作频段与介质谐振块位于同一范围，从而实现拓展带宽的目的。

如图3所示，缝隙的形状为米字型缝隙，十字形缝隙或者四条矩形空白缝隙左右任意旋转构成的图案；四条矩形空白缝隙可替换为三条矩形空白缝隙。

如图2所示，介质基板8分别在四个角上设置一个50欧姆的SMA同轴端口，沿顺时针方向分别命名为第一端口4、第二端口6、第三端口7以及第四端口5。

介质基板8下表面的底部馈电网络由改进过的正交耦合馈电网络，半圆形微带线以及延长线组成，为四端口延长线结构。通过tx-line软件计算底部微带线宽度；

改进的正交耦合馈电网络是指：对每个端口分别增加各自相对应的延长线11，延长线11的长度差会导致端口处的相位差，第一端口4到通孔之间的微带线长度和第四端口5到通孔之间的微带线长度之差分别为0和1/2λ，从而进一步调整相位，达到第一端口和第四端口之间的稳定相位差为0°和180°。

由于通孔9的位置是对称的，如果保持各个端口的微带线延长线11长度不同，需要调整微带线延长线11的弯曲角度以及位置，保证底部馈电网络与上方介质谐振块位于介质基板8的中央，在微带线末端通过同轴探针10直接与上方介质谐振块相连接进行馈电。

其四端口延长线结构分别与第一端口4、第二端口6、第三端口7以及第四端口5对应连接，具体对应关系为：

圆形介质谐振块1通过与介质谐振馈板3连接的同轴探针10连接底部馈电网络，然后底部馈电网络的微带线延长线11对应连接介质基板8的第一端口4和第四端口5，实现激励线性极化；两层介质谐振块2通过镀铜层上的缝隙与底部馈电网络实现相互耦合，然后底部馈电网络的微带线延长线11对应连接介质基板8的第二端口6和第三端口7，实现激励圆极化。

对于第一端口4和第四端口5，由于两个端口之间的相位差为0°和180°，通过改变馈电端口实现水平线极化(x-LP)或者垂直线极化(y-LP)，得到苹果状的辐射方向图和圆形的辐射方向图，实现了可重新配置的辐射模式。对于第二端口6和第三端口7，通过圆形微带线实现的相位差能实现圆极化，通过改变馈电端口实现左旋圆极化与右旋圆极化的可重新配置。同时改变馈电端口，使天线可以在圆极化与线极化之间切换，实现了极化模式可重构的功能。

本发明中初步拟整合极化或模式可重构这两个功能，使天线可以在左旋圆极化(LHCP)、右旋圆极化(RHCP)、x方向线极化(x-LP)、y方向线极化(y-LP)之间转换，使天线实现了全极化可重构的功能。

本发明设计的底部馈电网络，通过对不同端口馈电实现多种可重构，通过合理布局与设计减少端口之间耦合，在实际的仿真设计中发现端口之间存在一定耦合，通过更换馈电方式，引入多介电层结构的DRA以实现极化模式的不同，能够有效降低不同端口之间的耦合。

实施例

在本实施例中，使用PCB板印刷技术在FR-4上印刷底部馈电网络，以及使用3D打印技术进行加工，达到低成本以及易加工制造的目的。介质基板的介质层材料为FR-4环氧玻璃布层压板板材，尺寸为68mm×68mm×0.82mm，材料相对介电常数为4.4，其上层覆盖一层铜镀层，厚度为0.06mm，在底部馈电网络延长线末端对应位置开有两个圆形通孔，半径为2mm。

圆形介质谐振块和以及介质谐振馈板都采用PREMIX公司的PREPERM ABS10，相对介电常数为9.3-9.6之间；两层介质谐振块使用了泡沫和PREPERM ABS10实现多介电层结构，上下两层介质谐振块的厚度为2:1；圆形介质谐振块半径为13mm，圆形介质谐振块厚度为6.5mm；两层介质谐振块厚度为9mm，其中下层泡沫厚度为3mm，介电常数为1，上层PREPERMABS10厚度为6mm，介电常数为9.3-9.6；介质谐振馈板高度为9mm。

圆形介质谐振块通过介质谐振馈板进行支撑并馈电。同轴探针穿过介质基板上的通孔与底部馈电网络连接，介质谐振馈板上附有矩形的铜箔贴片，同轴探针通过焊锡固定在铜箔贴片上。两层介质谐振块通过缝隙耦合进行馈电。

如图2所示，底部馈电网络是一个四端口延长线结构，由改进的正交耦合结构和圆形微带线延长线组成，分别与介质基板的四个端口相连形成多端口输入。正交耦合结构设计的工作频率为5.5GHz，每条支线是中心频率的四分之一波长，因为微带的波导波长也与阻抗有关，支线和主线的长度不同。宽度由TX-LINE软件计算。对于第一端口和第四端口，混合器可以在两个端口之间提供0°和180°相移，改变馈电端口分别可以激励不同的辐射方向图，实现水平线极化或者垂直线极化，达到了可重新配置的辐射模式。对于第二端口和第三端口，通过适当半径的圆形微带线实现稳定相位差，改变馈电端口可以实现左旋圆偏振，右旋圆偏振，并通过改变不同端口馈电实现了可重新配置的极化模式。

如图4所示，给出了分别对第二、三或四端口馈电时e面和h面的主极化和交叉极化辐射方向图，本实施例实现了线极化和圆极化可重构的目的，并验证了在激励线极化条件下和激励圆极化的条件下都可以实现良好的辐射方向图，保证了通信的覆盖范围和连接的可靠性。

如图5所示，给出了本实施例的S参数图，当第一端口和第四端口被馈电时，线性极化被激励。对于|S11|≤-10dB，实现了双频带现象，输入反射系数带宽为5％(4.47-4.70GHz)，5.2％(6.58-6.93GHz)，对于|S44|≤-10dB，输入反射系数带宽为19.7％(4.90-5.97GHz)。当对第二端口5和第四端口7进行馈电时，可以激发圆极化，输入反射系数带宽|S22|≤-10dB为43.7％(4.07-6.35GHz)，3dB轴比具有16.5％(4.85-5.72GHz)的匹配带宽。

需要说明的是，本发明实施例以PREMIX公司的PREPERM ABS10作为介质谐振块材料以及FR4材料作为介质基板为例进行说明，仅为本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的限定。在实际应用中，介质层材料可以根据用户需要进行设定。