一种旋转渐变地褶皱调谐天线
阅读说明：本技术 一种旋转渐变地褶皱调谐天线 (Rotary gradually-changed fold tuning antenna ) 是由 吴玉婷 皇甫江涛 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种旋转渐变地褶皱调谐天线。本发明包括辐射体金属层、可旋转褶皱地金属组件、同轴线和转动驱动机构；辐射体金属层固定安装在可旋转褶皱地金属组件的正上方,辐射体金属层与同轴线相连后进行馈电,转动驱动机构的输出端与可旋转褶皱地金属组件的底面相连,转动驱动机构控制可旋转褶皱地金属组件的旋转。本发明中辐射体结构固定,通过机械方式调整金属地来实现辐射特性的调整,可用于天线工作频率调整和修正,天线和天线阵波束指向调整等功能,机构简单、调整灵活性好,可以承载大功率的天线信号,是一种可适用于5G基站等需要大功率、天线参数可调的应用场景的天线设计。(The invention discloses a rotary gradient fold tuning antenna. The invention comprises a radiator metal layer, a rotatable corrugated metal component, a coaxial line and a rotation driving mechanism; the radiator metal layer is fixedly arranged right above the rotatable corrugated metal component, the radiator metal layer is connected with the coaxial line and then feeds power, the output end of the rotation driving mechanism is connected with the bottom surface of the rotatable corrugated metal component, and the rotation driving mechanism controls the rotation of the rotatable corrugated metal component. The radiator structure is fixed, the metal ground is adjusted in a mechanical mode to adjust the radiation characteristic, the antenna can be used for adjusting and correcting the working frequency of the antenna, adjusting the beam direction of the antenna and the antenna array and the like, the mechanism is simple, the adjustment flexibility is good, high-power antenna signals can be borne, and the antenna is an antenna design suitable for application scenes such as a 5G base station and the like which need high power and adjustable antenna parameters.)
技术领域
本发明属于电子
技术领域
的一种可调谐低剖面天线，具体涉及了一种旋转渐变地褶皱调谐天线。背景技术
随着无线通信的发展，可重构天线由于其可以在一个天线上实现多种功能的特性，获得了人们的关注。在微波频段，通常可以通过电气调整和机械调整的方式实现天线性能的可调。可以通过在辐射机构中加入可调电气元件的方式实现可调天线的设计，例如变容二极管等。
对于低剖面天线，除了对辐射体机构的设计外，也逐渐出现了一些通过地平面机构改善天线性能的设计，许多周期性机构被用于天线地平面的设计，用于提高天线在体积、增益、方向性和阻抗匹配等方面的性能，例如频率选择表面、光子带隙和超表面等。
对于机械调整天线，通常是通过调整辐射体的高度和角度等来实现天线工作频率和辐射特性的调整，常常伴随着复杂的机械结构设计。
因此，需要设计一种更加简单的低剖面无源调谐天线来应对无线通讯中多变的工作条件和场景需求。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题和需求，本发明提供了一种旋转渐变地褶皱调谐的天线。本发明由辐射体金属层、可旋转褶皱地金属组件、同轴线和转动驱动机构构成，实现了一种旋转渐变地褶皱调谐天线。本发明通过在可旋转褶皱地金属组件上设置不同高度的金属柱，利用转动驱动机构调整可旋转褶皱地金属组件的角度，改变辐射体金属层与可旋转褶皱地金属组件之间的谐振状态，进而起到改变天线的工作频率和辐射特性的作用，具有很好的应用前景。
本发明的技术方案如下：
本发明包括辐射体金属层、可旋转褶皱地金属组件、同轴线和转动驱动机构；
辐射体金属层固定安装在可旋转褶皱地金属组件的正上方，辐射体金属层与同轴线相连后进行馈电，转动驱动机构的输出端与可旋转褶皱地金属组件的底面相连，转动驱动机构控制可旋转褶皱地金属组件的旋转。
所述可旋转褶皱地金属组件包括圆形金属片和多个金属柱阵列；
多个金属柱阵列关于可旋转褶皱地金属组件的中心对称布置，多个金属柱阵列固定安装在圆形金属片上，多个金属柱阵列的结构相同，具体为多个金属柱以圆形金属片的几何中心为中心、按照平面扇形阵列的方式等间隔地布置在圆形金属片上后构成的扇形阵列；一个金属柱阵列中的金属柱的尺寸完全相同，在圆形金属片的半圆中，不同金属柱阵列的金属柱的高度不同，其余尺寸完全相同，使得可旋转褶皱地金属组件绕圆形金属片的圆心旋转时，可旋转褶皱地金属组件上表面的高度产生周期性变化。
所述辐射体金属层关于可旋转褶皱地金属组件的圆心对称布置，辐射体金属层为金属片或者金属网格阵列，金属网格阵列包括多个金属网格单元，金属网格阵列的中间的金属网格单元的侧面依次拼接有多个金属网格单元，金属网格阵列中的金属网格单元整体按照平面栅格的方式排布。
所述可旋转褶皱地金属组件中心开有通孔，同轴线的上端通过通孔后与辐射体金属层的中心相连后对辐射体金属层进行底面馈电；
或者同轴线直接与辐射体金属层的一端连接，对辐射体金属层进行侧面馈电。
设置所述可旋转褶皱地金属组件的0°参考线，将可旋转褶皱地金属组件的0～360度区域划分为k个扇形区域，每个扇形区域中布置一个金属柱阵列，所述金属柱阵列所在扇形区域的角度范围通过以下公式进行设置：
其中，angle_range表示一个金属柱阵列所在区域的扇形角度，范围为0～360度；k为所需金属柱阵列的总个数，取值范围为k≥4，且k为偶数；n表示从0°参考线起，沿顺时针方向或逆时针方向的扇形区域的序号；height(n)表示第n个扇形区域对应的金属柱阵列中金属柱的高度；h0为第一个扇形区域对应的金属柱阵列中金属柱的高度；hstep为相邻金属柱阵列中金属柱高度的步进值。
各个所述金属网格单元的尺寸相同，通过以下公式进行设置：
其中，sidelength为金属网格单元的侧边边长，λ0为褶皱调谐天线的预期工作频率下的自由空间波长，fexp为褶皱调谐天线的预期工作频率，c0为自由空间的电磁波传播速度，为3×108m/s。
所述金属柱的横向尺寸和间隔通过以下公式进行设置：
其中，dhorizon,max为所述金属柱的最大横向尺寸，gap为所述金属柱与其相邻金属柱之间的间隔，λ0为褶皱调谐天线的预期工作频率下的自由空间波长。
所述转动驱动机构的输出端为齿轮，可旋转褶皱地金属组件的下表面外边缘分布有齿轮，转动驱动机构输出端的齿轮与可旋转褶皱地金属组件下表面外边缘分布的齿轮啮合后形成齿轮转动副，转动驱动机构通过齿轮转动副控制可旋转褶皱地金属组件旋转，实现可旋转褶皱地金属组件角度的调整。
所述褶皱调谐天线的辐射特性通过改变可旋转褶皱地金属组件的角度进行调节，具体为：
设置所述可旋转褶皱地金属组件的0°参考线，将可旋转褶皱地金属组件的0～360度区域划分为k个扇形区域，每个扇形区域中布置一个金属柱阵列，确定各个金属柱阵列所在的区域角度以及辐射体金属层当前投影的可旋转褶皱地金属组件的区域角度以及辐射体金属层所需投影的可旋转褶皱地金属组件的区域角度，具体通过以下公式进行设置：
其中，Angle为辐射体金属层所需投影的可旋转褶皱地金属组件的区域角度，fr为褶皱调谐天线的工作频率；d为辐射体金属层所需投影的可旋转褶皱地金属组件的区域角度中金属柱的直径；h为辐射体金属层所需投影的可旋转褶皱地金属组件的区域角度中金属柱的高度；A1为第一乘法系数；A2为第二乘法系数；A3为第三乘法系数；A4为第四乘法系数；B1为第一求和常数；B2为第二求和常数，第一乘法系数A1、第二乘法系数A2、第三乘法系数A3、第四乘法系数A4、第一求和常数B1和第二求和常数B2均根据金属柱之间的间距进行设置，金属柱的间距取值在d至3d之间；λ0为褶皱调谐天线的预期工作频率下的自由空间波长，c0为自由空间的电磁波传播速度，为3×108m/s；h0为第一个扇形区域对应的金属柱阵列中金属柱的高度；hstep为相邻金属柱阵列中金属柱高度的步进值，k为所需金属柱阵列的总个数。
与现有技术相比，本发明能够取得下列有益效果：
本发明是通过转动驱动机构调整可旋转褶皱地金属组件的角度，改变辐射体金属层与可旋转褶皱地金属组件之间的谐振状态，进而改变天线的工作频率和辐射特性。
本发明中辐射体结构固定，通过机械方式调整金属地来实现辐射特性的调整，可用于天线工作频率调整和修正，天线和天线阵波束指向调整等功能，机构简单、调整灵活性好，可以承载大功率的天线信号，是一种可适用于5G基站等需要大功率、天线参数可调的应用场景的天线结构。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的可旋转褶皱地金属组件示意图；
图3为本发明的辐射体金属层的结构示意图；
图4为本发明中的金属网格阵列和同轴线的连接示意图；
图4的(A)为底面馈电的连接示意图；
图4的(B)为侧面馈电的连接示意图；
图5为可旋转褶皱地金属组件的区域角度对天线工作频率的影响趋势图；
图6为可旋转褶皱地金属组件的区域角度对天线远场辐射方向图的影响趋势图。
图中：辐射体金属层1、可旋转褶皱地金属组件2、同轴线3、转动驱动机构4、金属网格阵列11、金属网格单元111、圆形金属片21、金属柱阵列22、金属柱221。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，本发明包括辐射体金属层1、圆形可旋转褶皱地金属组件2、同轴线3和转动驱动机构4；
辐射体金属层1固定安装在可旋转褶皱地金属组件2的正上方，辐射体金属层1和可旋转褶皱地金属组件2之间间隔布置，本实施例中辐射体金属层与1可旋转褶皱地金属组件2间的高度间隔为10mm，辐射体金属层1与同轴线3相连后进行馈电，转动驱动机构4的输出端与可旋转褶皱地金属组件2的底面相连，转动驱动机构4控制可旋转褶皱地金属组件2的旋转。褶皱调谐天线的高度为20mm。褶皱调谐天线的高度是指辐射金属体层1、可旋转褶皱地金属组件2和转动驱动机构4所组成的褶皱调谐天线主体结构的总高度。
如图2所示，可旋转褶皱地金属组件2包括圆形金属片21和多个金属柱阵列22；
多个金属柱阵列22关于可旋转褶皱地金属组件2的中心对称布置，金属柱阵列22为偶数个，多个金属柱阵列22固定安装在圆形金属片21上表面，多个金属柱阵列22的结构相同，具体为多个金属柱221以圆形金属片21的几何中心为中心、按照平面扇形阵列的方式等间隔地布置在圆形金属片21上表面后构成的扇形阵列；扇形阵列的扇形角度至少为30度，具体实施中，扇形角度根据辐射体金属层1来设置，一个金属柱阵列22中的金属柱221的尺寸完全相同，在圆形金属片21的半圆中，不同金属柱阵列22的金属柱221的高度不同，其余尺寸完全相同，使得可旋转褶皱地金属组件2绕圆形金属片21的圆心旋转时，可旋转褶皱地金属组件2上表面的高度产生周期性变化，从而褶皱调谐天线的工作频率产生周期性变化。在本实施例中，圆形金属片21的直径为200mm，厚度为5mm。金属柱221为圆柱体，所述金属柱221具有相同的直径，为5mm。
设置可旋转褶皱地金属组件2的0°参考线，将可旋转褶皱地金属组件2的0～360度区域划分为k个扇形区域，每个扇形区域中布置一个金属柱阵列22，金属柱阵列22所在扇形区域的角度范围通过以下公式进行设置：
其中，angle_range表示一个金属柱阵列22所在区域的扇形角度，范围为0～360度；k为所需金属柱阵列22的总个数，即扇形区域的总个数，取值范围为k≥4，且k为偶数；n表示从0°参考线起，沿顺时针方向或逆时针方向的扇形区域的序号；height(n)表示第n个扇形区域对应的金属柱阵列22中金属柱221的高度；h0为第一个扇形区域对应的金属柱阵列22中金属柱221的高度；hstep为相邻金属柱阵列22中金属柱221高度的步进值，即沿顺时针方向或逆时针方向相邻金属柱阵列22中金属柱221高度的增加值。
具体实施中，k取值为12，h0取值为1毫米；hstep取值为1毫米，则金属柱221的高度值设置如下：
height＝1,0≤angle_range＜30,180≤angle_range＜210
height＝2,30≤angle_range＜60,210≤angle_range＜240
height＝3,60≤angle_range＜90,240≤angle_range＜270
height＝4,90≤angle_range＜120,270≤angle_range＜300
height＝5,120≤angle_range＜150,300≤angle_range＜330
height＝6,150≤angle_range＜180,330≤angle_range＜360
其中，height的单位为毫米。
如图3所示，辐射体金属层1关于可旋转褶皱地金属组件2的圆心对称布置，辐射体金属层1为金属片或者金属网格阵列11，金属片为完整的一块，金属网格阵列11包括多个金属网格单元111，金属网格阵列11的中间的金属网格单元111的侧面依次拼接有多个金属网格单元111，相邻金属网格单元111之间侧面拼接相连，金属网格阵列11中的金属网格单元111整体按照平面栅格的方式排布。金属网格单元111的形状可以是任意多边形，典型地，在该实施例中金属网格单元111的形状为正方形，金属网格单元111的边长为20mm，金属网格单元边缘的金属宽度为1mm，金属网格单元111的厚度为0.2mm，相邻的金属网格单元之间紧密连接，在水平面上沿一个方向以一个金属网格单元和两个金属网格单元交错放置的方式排布。辐射体金属层1的投影范围只覆盖金属柱阵列22的部分区域。
如图4所示，可旋转褶皱地金属组件2中心开有通孔，同轴线3的上端通过通孔后与辐射体金属层1的中心相连后对辐射体金属层1进行底面馈电，此时该金属网格单元111为实心结构，同轴线3与可旋转褶皱地金属组件2不接触；或者同轴线3直接与辐射体金属层1的一端连接，对辐射体金属层1进行侧面馈电。同轴线3的特征阻抗为50欧姆。
各个金属网格单元111的尺寸相同，金属网格单元111侧面的边长小于褶皱调谐天线的工作频率下的自由空间波长，大于自由空间波长的四分之一，通过以下公式进行设置：
其中，sidelength为金属网格单元111的侧边边长，λ0为褶皱调谐天线的预期工作频率下的自由空间波长，fexp为褶皱调谐天线的预期工作频率，c0为自由空间的电磁波传播速度，为3×108m/s。
金属柱221的横向尺寸和间隔通过以下公式进行设置：
其中，dhorizon,max为金属柱221的最大横向尺寸，gap为金属柱221与其相邻金属柱之间的间隔，λ0为褶皱调谐天线的预期工作频率下的自由空间波长。
转动驱动机构4为具有角度方向调节能力的装置，转动驱动机构4的输出端为齿轮，可旋转褶皱地金属组件2的下表面外边缘分布有齿轮，转动驱动机构4输出端的齿轮与可旋转褶皱地金属组件2下表面外边缘分布的齿轮啮合后形成齿轮转动副，转动驱动机构4通过齿轮转动副控制可旋转褶皱地金属组件2旋转，实现可旋转褶皱地金属组件2角度的调整。褶皱调谐天线的辐射特性受到辐射体金属层1下方的金属柱221的高度影响，通过改变可旋转褶皱地金属组件2的角度进行调节，具体为：
设置可旋转褶皱地金属组件2的0°参考线，将可旋转褶皱地金属组件2的0～360度区域划分为k个扇形区域，每个扇形区域中布置一个金属柱阵列22，确定各个金属柱阵列22所在的区域角度以及辐射体金属层1当前投影的可旋转褶皱地金属组件2的区域角度以及辐射体金属层1所需投影的可旋转褶皱地金属组件2的区域角度，具体通过以下公式进行设置：
其中，Angle为辐射体金属层1所需投影的可旋转褶皱地金属组件2的区域角度，fr为褶皱调谐天线的工作频率；d为辐射体金属层1所需投影的可旋转褶皱地金属组件2的区域角度中金属柱221的直径；h为辐射体金属层1所需投影的可旋转褶皱地金属组件2的区域角度中金属柱221的高度；A1为第一乘法系数，本实施例中取值为1.2×105；A2为第二乘法系数，本实施例中取值为5×10-6；A3为第三乘法系数，本实施例中取值为1.427×10-8；A4为第四乘法系数，本实施例中取值为2×104；B1为第一求和常数，本实施例中取值为3.5×10-5；B2为第二求和常数，本实施例中取值为48，第一乘法系数A1、第二乘法系数A2、第三乘法系数A3、第四乘法系数A4、第一求和常数B1和第二求和常数B2均根据金属柱221之间的间距进行设置，金属柱221的间距取值在d至3d之间；λ0为褶皱调谐天线的预期工作频率下的自由空间波长，c0为自由空间的电磁波传播速度，为3×108m/s；h0为第一个扇形区域对应的金属柱阵列22中金属柱221的高度；hstep为相邻金属柱阵列22中金属柱221高度的步进值，k为所需金属柱阵列22的总个数；本实施例中金属柱221之间的间距范围为7.8mm到10mm。通过所需的区域角度Ang的确定，获得对应的金属柱阵列22序号，金属柱阵列22序号的确定，旋转可旋转褶皱地金属组件2使得辐射体金属层1投影在可旋转褶皱地金属组件2的所需区域，从而改变褶皱调谐天线的工作频率fr，随着褶皱调谐天线的工作频率fr的改变，特定频率处的辐射方向图会发生变化，同时褶皱调谐天线的最优工作频率也发生偏移。
褶皱调谐天线的辐射方向图通过改变可旋转褶皱地金属组件2的角度进行设置；本实施例中由于可旋转褶皱地金属组件2上金属柱阵列22的高度分布是中心对称的，可旋转褶皱地金属组件2的角度调整范围为0～180度。辐射体金属层1只覆盖金属柱阵列22的部分区域，当改变可旋转褶皱地金属组件2的角度时，辐射体金属层1下方的金属柱221的高度不同，天线辐射方向图中的零点分布和波束角度会相应产生改变。
图5显示了可旋转褶皱地金属组件角度对天线工作频率的影响趋势图。天线的辐射方向图受到辐射体金属层1下方的金属柱221的高度影响。定义金属网格阵列11下方对应金属柱221高度为6mm时，可旋转褶皱地金属组件2的位置为初始角度，调节可旋转褶皱地金属组件2的角度在30至150度之间变化，同时保持辐射体金属层1和同轴线3的角度不变，可以看到，随着可旋转褶皱地金属组件2的角度变化，辐射体金属层1下方对应的金属柱221的高度不同，褶皱调谐天线的工作频率变化范围为2.2GHz至2.45GHz。
天线的远场辐射受到下方的金属网格阵列的金属柱高度的影响，通过转动驱动机构4调整可旋转褶皱地金属组件2的角度，使金属网格阵列11下方对应不同高度的金属柱221，从而改变天线的远场辐射特性。图6显示了可旋转褶皱地金属组件2的角度对天线远场辐射的影响趋势图，通过设置可旋转褶皱地金属组件2的角度在60°和90°，可以调整天线在2.45GHz辐射的波束角度，波束角度的调整范围可以达到15°。
以上，本发明实现了一种旋转渐变地褶皱调谐天线。可以通过调整可旋转褶皱地金属组件的角度调节天线的辐射特性。
以上，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明做任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上事例所做的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。
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