一种辐射特性可调的低剖面天线
阅读说明：本技术 一种辐射特性可调的低剖面天线 (Low-profile antenna with adjustable radiation characteristic ) 是由 吴玉婷 皇甫江涛 陈红胜 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种辐射特性可调的低剖面天线。本发明包括辐射体金属层、周期机构、天线馈电机构和调节驱动机构；辐射体金属层、周期机构和调节驱动机构从上到下依次层叠布置,辐射体金属层和周期机构之间间隔布置,天线馈电机构布置在调节驱动机构的下方或者布置在辐射体金属层和周期机构之间,天线馈电机构与辐射体金属层相连,辐射体金属层通过天线馈电机构进行馈电。金属柱状体的高度由驱动机构单独或整体调整高度,改变金属辐射单元的谐振频率和工作的幅度相位。本发明通过调整金属柱状体的高度改变低剖面天线的工作频率和辐射方向图；机构简单且灵活性好,可以承载大功率的天线信号,可适用于5G基站等需要大功率、天线参数可调的天线设计。(The invention discloses a low-profile antenna with adjustable radiation characteristics. The antenna comprises a radiator metal layer, a periodic mechanism, an antenna feed mechanism and an adjusting drive mechanism; the antenna feeder mechanism is connected with the radiator metal layer, and the radiator metal layer is fed through the antenna feeder mechanism. The height of the metal columnar body is adjusted by the driving mechanism independently or integrally, and the resonant frequency and the working amplitude phase of the metal radiating unit are changed. The working frequency and the radiation pattern of the low-profile antenna are changed by adjusting the height of the metal columnar body; the mechanism is simple, the flexibility is good, the antenna signal with high power can be borne, and the antenna design method is suitable for antenna designs which need high power and adjustable antenna parameters, such as a 5G base station and the like.)
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及了一种可调低剖面天线，具体涉及了一种通讯频段的频率和波束方向连续可调的低剖面天线。
背景技术
随着无线通信的发展，低剖面天线和可重构天线的重要性更加显著。贴片天线由于其低剖面、低成本和便于设计的特性，逐渐受到人们的关注。通过向贴片天线机构中加入可调元件的方式，可以实现可调天线，可调天线由于其可以在一个天线上实现多种功能的特性，得到了发展。
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。目前主要的具有周期性机构的地平面的设计方法主要集中于在天线地平面上加入周期性贴片或缝隙机构，例如频率选择表面、光子带隙和超表面等。
但这些天线地平面的设计都是基于印刷在介质基板上的金属机构，一旦制作成型就很难改变。因此，需要设计一种辐射特性可调的低剖面天线来应对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，本发明提供了一种辐射特性可调的低剖面天线。
本发明的技术方案如下：
本发明包括辐射体金属层、周期机构、天线馈电机构和调节驱动机构；辐射体金属层、周期机构和调节驱动机构从上到下依次层叠布置，辐射体金属层和周期机构之间间隔布置，天线馈电机构布置在调节驱动机构的下方或者布置在辐射体金属层和周期机构之间，天线馈电机构与辐射体金属层相连，辐射体金属层通过天线馈电机构进行馈电。
所述辐射体金属层包括一个金属辐射单元或者由多个金属辐射单元组成的金属辐射阵列；金属辐射阵列按照平面矩形阵列的方式排布；金属辐射单元均与天线馈电机构相连；
所述周期机构包括金属平板和至少一个金属柱阵列，单个金属柱状阵列主要由若干个金属柱状体按照平面矩形阵列的方式在金属平板上排布组成，每个金属柱状体下端的金属平板均开有通孔使得每个金属柱状体下端穿过各自的通孔与调节驱动机构相连，通过调节驱动机构调节每个金属柱状体的高度；金属柱状体设置在辐射体金属层和周期机构之间；金属辐射单元和金属柱状阵列的个数相同并且上下位置一一对应，金属柱状阵列的安装位置和金属辐射单元的位置或者金属辐射阵列的排布位置相同，使得每个金属柱状阵列的正上方布置一个金属辐射单元。
所述天线馈电机构包括介质基板、馈电网络和SMA接头；馈电网络包括金属功率分配网络机构和同轴线，金属功率分配网络机构位于介质基板上，SMA接头的一端与金属功率分配网络机构连接并且固定在介质基板的一侧面上，SMA接头的另一端与信号源相连，SMA接头接收信号源发射信号并将信号源发射信号转换为总功率传输给金属功率分配网络机构；
天线馈电机构布置在调节驱动机构的下方时，金属功率分配网络机构与同轴线的一端相连，同轴线的另一端穿过周期机构和调节驱动机构后与辐射体金属层相连；
天线馈电机构布置在辐射体金属层和周期机构之间或布置在与辐射体金属层同一层时，辐射体金属层中的金属辐射单元直接固定在介质基板的一侧面上并与金属功率分配网络机构相连。
所述调节驱动机构包括多个控制端，每个控制端均与一个金属柱状体的下端相连接，金属柱状体的高度通过控制端的上下运动进行调整，调节驱动机构为具有高度方向调节能力的装置。
所述低剖面天线的工作频率通过金属柱状体和金属辐射单元的几何尺寸进行调整，具体关系如下式：
其中：fr为低剖面天线的工作频率；v0为真空中的电磁波传播速度，具体为3×108m/s；W为金属辐射单元的宽度；L为金属辐射单元的长度；H为金属辐射单元与金属平板之间的高度差；εgnd为周期机构的第一等效介电常数；εreff为金属辐射单元和周期机构之间以及金属辐射单元、周期机构构成的整体模块的第二等效介电常数；w为金属柱状体的宽度；l为金属柱状体的长度；h为所有金属柱状体的平均高度；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均通过相邻金属柱状体的间距进行设置，金属柱状体的间距取值在0.5w至2w之间。
所述低剖面天线的辐射方向图通过金属柱状体的高度进行设置；每个金属柱状阵列中的金属柱状体高度为相同或者不同，每个金属柱状阵列的高度为相同或者不同。
所述金属功率分配网络机构将SMA接头发送的总功率均分地传输给每一个金属辐射单元。
本发明由辐射体金属层、周期机构、天线馈电机构和调节驱动机构构成，实现了一种辐射特性可调的低剖面天线。本发明利用调节驱动机构调整周期机构上的金属柱状体的高度，改变辐射体金属层与周期机构之间的谐振状态，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。
与现有技术相比，本发明能够取得下列有益效果：
本发明是通过调节驱动机构调整周期机构上的金属柱状体的高度，改变辐射体金属层与周期机构之间的谐振状态，进而改变天线的工作频率和辐射特性。本发明的机构简单、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。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的周期机构示意图；
图3为图1中的金属辐射单元和天线馈电机构的连接示意图；
图4为本发明中的金属辐射单元和天线馈电机构的另一种连接示意图；
图4(A)为侧面馈电；
图4(B)为底面馈电；
图5为金属柱状体高度对天线工作频率的影响趋势图；
图6为金属柱状体高度对天线远场辐射的影响趋势图(金属辐射单元)；
图7为金属柱状体高度对天线远场辐射的影响趋势图(金属辐射阵列)。
图中：辐射体金属层1、周期机构2、天线馈电机构3、调节驱动机构4、金属辐射单元5、金属辐射阵列6、金属平板7、金属柱状体8、介质基板9、馈电网络10、SMA接头11、金属功率分配网络机构12、同轴线13、第一金属辐射单元14、第二金属辐射单元15、第三金属辐射单元16、第四金属辐射单元17、第一微带线18、第二微带线19、第三微带线20、第四微带线21、金属柱阵列22、第一金属柱阵列23、第二金属柱阵列24、第三金属柱阵列25、第四金属柱阵列26。
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和图4所示，本发明包括辐射体金属层1、周期机构2、天线馈电机构3和调节驱动机构4；辐射体金属层1、周期机构2和调节驱动机构4从上到下依次层叠布置，辐射体金属层1和周期机构2之间间隔布置，天线馈电机构3布置在调节驱动机构4的下方或者布置在辐射体金属层1和周期机构2之间，天线馈电机构3与辐射体金属层1相连，辐射体金属层1通过天线馈电机构3进行馈电。低剖面天线的高度为2.5cm或者2.1cm。
辐射体金属层1包括一个金属辐射单元5或者由多个金属辐射单元5组成的金属辐射阵列6；每个金属辐射单元5均相同，金属辐射阵列6按照平面矩形阵列的方式排布；金属辐射单元5均与天线馈电机构3相连；当天线馈电机构3布置在调节驱动机构4的下方时，具体实施中，泡沫板或者FR4介质板开有与金属辐射单元5相同个数的通槽，泡沫板或者FR4介质板用于支撑金属辐射单元5，金属辐射单元5安装在通槽中与天线馈电机构3中的同轴线13相连。同轴线13的特征阻抗为50欧姆。如图2所示，金属辐射单元5的形状为矩形，金属辐射单元5的长度和宽度分别为51mm和35mm，相邻的金属辐射单元5的间隔沿长度和宽度方向分别为51mm和35mm。金属辐射单元(5)的面积和金属柱阵列(22)的面积并没有特别限定，具体实施中，金属辐射单元(5)的面积和金属柱阵列(22)的面积相同。
天线馈电机构3包括介质基板9、馈电网络10和SMA接头11；馈电网络10包括金属功率分配网络机构12和同轴线13，金属功率分配网络机构12位于介质基板9上，SMA接头11的一端与金属功率分配网络机构12连接并且固定在介质基板9的一侧面上，SMA接头11的另一端与信号源相连，SMA接头11接收信号源发射信号并将信号源发射信号转换为总功率传输给金属功率分配网络机构12；
金属功率分配网络机构12将SMA接头11发送的总功率均分地传输给每一个金属辐射单元5。典型地，当四个金属辐射单元5为2×2排列时，金属功率分配网络机构12将总功率均匀地分成四个相等的功率并将每个功率传输给对应的一个金属辐射单元5。
天线馈电机构3布置在调节驱动机构4的下方时，金属功率分配网络机构12与同轴线13的一端相连，同轴线13的另一端穿过周期机构2和调节驱动机构4后与辐射体金属层1的金属辐射单元5相连，同轴线13的数量和金属辐射单元5的个数相同；该种连接结构的天线馈电方式为底面馈电；
天线馈电机构3布置在辐射体金属层1和周期机构2之间或布置在与辐射体金属层1同一层时，辐射体金属层1中的金属辐射单元5直接固定在介质基板9的一侧面上并与金属功率分配网络机构12相连；该种连接结构的天线馈电方式为侧面馈电和底面馈电。
如图3所示，金属功率分配网络机构12的结构取决于金属辐射阵列6的结构，此处以金属辐射阵列6为2×2阵列为例。金属辐射阵列6由第一金属辐射单元14、第二金属辐射单元15、第三金属辐射单元16和第四金属辐射单元17组成，此时金属功率分配网络机构12为一分四的金属功率分配网络机构12，印刷于长度、宽度和厚度分别为174mm、141mm和1.5mm的介质基板9上，介质基板9的材料为Rogers RO4003C，相对介电常数为3.38±0.05。天线发射信号由SMA接头11馈入，SMA接头11将信号源发射信号转换为总功率传输给金属功率分配网络机构12，总功率被金属功率分配网络机构12等分为四个相等的功率后通过同轴线13馈入到金属辐射阵列6，金属辐射阵列6与周期机构2之间产生谐振，形成辐射。金属功率分配网络机构12由第一微带线18、第二微带线19、第三微带线20和第四微带线21组成，第一微带线18和第二微带线19平行布置，第三微带线20的两端分别连接第一微带线18和第二微带线19的中部，第四微带线21的一端与第三微带线20的中部相连，第四微带线21的另一端与SMA接头11相连，第一微带线18、第二微带线19和第四微带线21三者在同一平面上平行布置，第一微带线18和第二微带线19的两端均通过一根同轴线13与一个金属辐射单元5相连，同轴线13穿过周期机构2和调节驱动机构4。第一微带线18的长度为74.15mm，宽度为2.89mm。第二微带线19的长度为74.15mm，宽度为2.89mm。第三微带线20的长度为72.05mm，宽度为7.79mm。第四微带线21的长度为27.33mm，宽度为18.06mm。
如图2所示，金属平板7的长度和宽度分别为174mm和141mm，厚度为2mm，金属平板7上表面距离辐射体金属层1下表面的距离为8mm。金属柱状体8的典型形状为长方体或圆柱体，此处以长方体为例，金属柱状体8的长度和宽度均为5mm，高度可以由调节驱动机构4进行调整，调整范围为0至7.5mm。调节驱动机构4包括多个控制端，每个控制端均与一个金属柱状体8的下端相连接，每个金属柱状体8下端均与一个控制端相连，金属柱状体8的高度通过控制端的上下运动进行调整，调节驱动机构4为具有高度方向调节能力的装置。具体实施中，调节驱动机构4为带有步进电机或者电磁铁的具有高度方向调节能力的装置。金属柱状体8构成6×6的金属柱阵列22，沿长度和宽度方向均匀分布，金属柱阵列22的外缘与金属辐射单元5的外缘重合。如图1所示，当金属辐射阵列6为上述2×2阵列时，第一金属辐射单元14、第二金属辐射单元15、第三金属辐射单元16和第四金属辐射单元17分别对应第一金属柱阵列23、第二金属柱阵列24、第三金属柱阵列25和第四金属柱阵列26。介质基板9的形状为矩形。金属柱状体8的优选形状为长方体或圆柱体；金属平板7的形状为矩形。
图5显示了金属柱状体高度对天线工作频率的影响趋势图。低剖面天线采用辐射体金属层1、周期机构2、调节驱动机构4和天线馈电机构3的顺序设置。同轴线的特征阻抗为50欧姆，保持其他参数不变，调节金属柱状体8的高度在5至7.5mm之间变化，可以看到，随着金属柱状体8高度的增加，低剖面天线的工作频率从3.35GHz变到2.2GHz。低剖面天线的工作频率通过金属柱状体8和金属辐射单元5的几何尺寸进行调整，具体关系如下式：
其中：fr为天线的工作频率；v0为真空中的电磁波传播速度，为3×108m/s；W为金属辐射单元5的宽度，为35mm；L为金属辐射单元5的长度，为51mm；H为金属辐射单元5与金属平板7之间的高度差，为8mm；εgnd为第一等效介电常数；εreff为第二等效介电常数；w为金属柱状体8的宽度，为5mm；l为金属柱状体8的长度，为5mm；h为所有金属柱状体8的平均高度，调节范围为5到7.5mm；A1为第一乘法系数，本实施例中其数值为1.2×1019；A2为第二乘法系数，本实施例中其数值为5×10-9；A3为第三乘法系数，本实施例中其数值为1.375×10-16；A4为第四乘法系数，本实施例中其数值为2×107；B1为第一求和常数，本实施例中其数值为3.5×10-10；B2为第二求和常数，本实施例中其数值为27，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均通过相邻金属柱状体(8)的间距进行设置，金属柱状体的间距取值在0.5w至2w之间，具体实施为金属柱状体沿长度方向的间距为9.2mm，沿宽度方向的间距为6mm。
低剖面天线的辐射方向图通过金属柱状体8的高度进行设置；每个金属柱状阵列中的金属柱状体8高度为相同或者不同，每个金属柱状阵列的高度为相同或者不同。当改变金属柱状体8的高度时，辐射方向图中的零点分布和波束角度会相应产生改变。
低剖面天线中的金属辐射单元5和金属柱阵列22为一个时，分别调节金属柱阵列22中不同位置金属柱状体8的高度，图6显示了金属柱状体高度对天线远场辐射的影响趋势图(金属辐射单元)。金属柱阵列22中，沿金属辐射单元5的宽度方向分布于同一直线上的六个金属柱状体为一列，自靠近金属辐射单元任一宽度方向边缘的位置向内分别为第一列金属柱状体、第二列金属柱状体、第三列金属柱状体、第四列金属柱状体、第五列金属柱状体和第六列金属柱状体。金属柱阵列22中，根据金属柱状体距离金属柱阵列22中心的距离远近，分为内层金属柱状体，中间层金属柱状体和外层金属柱状体，内层金属柱状体包括最靠近金属柱阵列22中心的4个金属柱状体，外层金属柱状体包括最靠近金属柱阵列22外边缘的20个金属柱状体，其余的12个金属柱状体为中间层金属柱状体。
图6中，第一种高度分布具体为：金属柱阵列22中金属柱状体8的高度均为7.2mm；第二种高度分布具体为：第一列金属柱状体高度为7.5mm，第二列金属柱状体高度为6.5mm，第三列金属柱状体高度为5.5mm，第四列金属柱状体高度为5.5mm，第五列金属柱状体高度为6.5mm，第六列金属柱状体高度为7.5mm；第三种高度分布具体为：内层金属柱状体高度为7.5mm，中间层金属柱状体高度为6.5mm，外层金属柱状体高度为5.5mm。图6显示，天线的远场辐射受到金属柱状体高度的影响，通过调节驱动机构4调整金属柱状体8高度从而改变天线的远场辐射特性。
低剖面天线中的金属辐射单元5和金属柱阵列22为四个时，图7显示了金属柱状体高度对天线远场辐射的影响趋势图金属辐射阵列。图7显示，通过设置第一金属柱阵列23、第二金属柱阵列24、第三金属柱阵列25和第四金属柱阵列26的高度，可以调整天线辐射的波束角度，调整范围最大可达±25°。
以上，本发明实现了一种辐射特性可调的低剖面天线。可以通过调整金属柱状体的高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。