一种平面端射方向图可重构天线[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 109066073 A(43)申请公布日 2018.12.21

(21)申请号 201810791251.4(22)申请日 2018.07.18

(71)申请人 华南理工大学

地址 5100 广东省广州市天河区五山路

381号(72)发明人 潘咏梅　欧阳鋆　郑少勇　(74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限

公司 44102

代理人 何淑珍　江裕强(51)Int.Cl.

H01Q 1/38(2006.01)H01Q 1/48(2006.01)H01Q 1/50(2006.01)H01Q 3/24(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图5页

()发明名称

一种平面端射方向图可重构天线(57)摘要

本发明公开了一种平面端射方向图可重构天线，包括介质基板、辐射贴片、带槽地板、开关及偏置电路和同轴电缆，所述介质基板包括相对的第一表面和第二表面，所述辐射贴片贴设于介质基板的第一表面，所述带槽地板贴设于介质基板的第二表面，所述开关及偏置电路设置在带槽地板槽内，所述同轴电缆包括外导体和内导体，所述外导体与带槽地板连接，所述内导体贯穿介质基板与辐射贴片连接，所述同轴电缆设置于平面端射方向图可重构天线的几何中心；本发明的一种平面端射方向图可重构天线，在具有优良电路特性和辐射特性的同时，还具有尺寸紧凑、结构简单，降低了射频天线模块的复杂度和成本的优点。

CN 109066073 ACN 109066073 A

权　利　要　求　书

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1.一种平面端射方向图可重构天线，其特征在于：包括介质基板、辐射贴片、带槽地板、开关及偏置电路和同轴电缆，所述介质基板包括相对的第一表面和第二表面，所述辐射贴片贴设于介质基板的第一表面，所述带槽地板贴设于介质基板的第二表面，所述开关及偏置电路设置在带槽地板槽内，所述同轴电缆包括外导体和内导体，所述外导体与带槽地板连接，所述内导体贯穿介质基板与辐射贴片连接；所述同轴电缆设置于平面端射方向图可重构天线的几何中心，用于激励辐射贴片和带槽地板，所述辐射贴片用于产生垂直于辐射贴片平面的磁偶极子的电磁辐射，所述带槽地板用于产生平行于带槽地板平面的电偶极子的电磁辐射，所述开关及偏置电路通过控制开关的通断状态组合，产生可重构的端射辐射方向图。

2.根据权利要求1所述的一种平面端射方向图可重构天线，其特征在于：所述磁偶极子与电偶极子为具有互补功能的辐射方向图，所述磁偶极子与电偶极子的电磁辐射在与介质基板平面平行的第一方向上具有叠加效果，在与所述第一方向相反的第二方向上产生抵消效果，形成端射辐射方向图。

3.根据权利要求1所述的一种平面端射方向图可重构天线，其特征在于：所述介质基板为圆形结构。

4.根据权利要求1所述的一种平面端射方向图可重构天线，其特征在于：所述辐射贴片为阿耳福特环形结构，包括外圈枝节和连接臂，所述外圈枝节与连接臂连接，所述外圈枝节之间具有缝隙，所述外圈枝节与连接臂的数量相同，为3～8个。

5.根据权利要求4所述的一种平面端射方向图可重构天线，其特征在于：所述外圈枝节与连接臂的形状为弧形、矩形或阶梯形。

6.根据权利要求1所述的一种平面端射方向图可重构天线，其特征在于：所述外圈枝节与所述连接臂的线宽相同或不同，用于调节天线的阻抗匹配，所述线宽为0.5～6mm；所述外圈枝节与连接臂的长度用于控制天线的谐振频率，所述所有外圈枝节长度的和为1～2λg。

7.根据权利要求1所述的一种平面端射方向图可重构天线，其特征在于：所述带槽地板的直径为0.4～0.6λg。

8.根据权利要求1所述的一种平面端射方向图可重构天线，其特征在于：所述带槽地板包括径向槽，所述径向槽的长度小于带槽地板的半径，形状为矩形、扇形或梯形，数量与外圈枝节和连接臂的数量相同或不同，为3～8个。

9.根据权利要求1所述的一种平面端射方向图可重构天线，其特征在于：所述径向槽内设有开关及偏置电路，所述开关及偏置电路设置在径向槽的外围，包括PIN二极管、电感、电容和直流连接线，所述开关及偏置电路与径向槽数量相同。

10.根据权利要求1所述的一种平面端射方向图可重构天线，其特征在于：所述平面端射方向图可重构天线的波束扫描范围为整个360°方位面。

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一种平面端射方向图可重构天线

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技术领域

[0001]本发明涉及无线移动通信领域，具体涉及一种平面端射方向图可重构天线。背景技术

[0002]端射天线是一种最大辐射方向平行于辐射体所在平面的天线，常见的端射天线形式有八木天线、螺旋天线等。端射天线在军事领域和民用领域都有广泛的应用需求，特别是在一些空间尺寸受限的场景中，例如手持设备、无绳电话、车载和飞行器系统等，往往需要应用到低剖面端射天线。另一方面，方向图可重构天线具有动态控制波束扫描的特性，可以有效的减小多径衰落和电磁干扰，提升信道容量。因此，低剖面、端射、方向图可重构天线近年来受到广泛关注。然而，现阶段所提出的低剖面端射天线的辐射方向图大多都固定在一个方向上，无法实现灵活的控制，同时受限于结构的不对称性，想要实现可重构的方向图是非常困难的。而现有的方向图可重构天线大多采用了较大的反射器或多级引向器结构，天线的体积较大，剖面较高，且设计复杂度高，不利于集成应用，无法匹配移动终端设备集成化、小型化的发展趋势。发明内容

[0003]有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种平面端射方向图可重构天线，解决了现有低剖面端射天线无法实现波束灵活控制，和现有方向图可重构天线体积大、剖面高的问题。[0004]为实现上述目的，本发明的技术方案如下。[0005]一种平面端射方向图可重构天线，包括介质基板、辐射贴片、带槽地板、开关及偏置电路和同轴电缆，所述介质基板包括相对的第一表面和第二表面，所述辐射贴片贴设于介质基板的第一表面，所述带槽地板贴设于介质基板的第二表面，所述开关及偏置电路设置在带槽地板槽内，所述同轴电缆包括外导体和内导体，所述外导体与带槽地板连接，所述内导体贯穿介质基板与辐射贴片连接；所述同轴电缆设置于平面端射方向图可重构天线的几何中心，用于激励辐射贴片和带槽地板，所述辐射贴片用于产生垂直于辐射贴片平面的磁偶极子的电磁辐射，所述带槽地板用于产生平行于带槽地板平面的电偶极子的电磁辐射，所述开关及偏置电路通过控制开关的通断状态组合，产生可重构的端射辐射方向图。[0006]进一步地，所述磁偶极子与电偶极子为具有互补功能的辐射方向图，所述磁偶极子与电偶极子的电磁辐射在与介质基板平面平行的第一方向上具有叠加效果，在与所述第一方向相反的第二方向上产生抵消效果，形成端射辐射方向图。[0007]进一步地，所述介质基板为圆形结构。[0008]进一步地，所述介质基板为圆形结构；所述辐射贴片为阿耳福特环形(alford loop)结构，包括外圈枝节和连接臂，所述外圈枝节与连接臂连接，所述外圈枝节之间具有缝隙，所述外圈枝节与连接臂的数量相同，为3～8个。[0009]进一步地，所述外圈枝节与连接臂的形状为弧形、矩形或阶梯形。

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进一步地，所述外圈枝节与所述连接臂的线宽相同或不同，用于调节天线的阻抗

匹配，所述线宽为0.5～6mm；所述外圈枝节与连接臂的长度用于控制天线的谐振频率，所述所有外圈枝节长度的和为1～2λg。[0011]进一步地，所述带槽地板的直径为0.4～0.6λg。[0012]进一步地，所述带槽地板包括径向槽，所述径向槽的长度小于带槽地板的半径，形状为矩形、扇形或梯形，数量与外圈枝节和连接臂的数量相同或不同，为3～8个。[0013]进一步地，所述径向槽内设有开关及偏置电路，所述开关及偏置电路设置在径向槽的外围，包括PIN二极管、电感、电容和直流连接线，所述开关及偏置电路与径向槽数量相同。

[0014]进一步地，所述平面端射方向图可重构天线的波束扫描范围为整个360°方位面。[0015]与现有技术比较，本发明的一种平面端射方向图可重构天线具有如下效果：[0016]1、低剖面特性，天线采用单层板结构，剖面低，剖面高度仅0.024λ易于加工集0，成。

[0017]2、良好的端射辐射特性，前后比高达25.5dB，峰值增益4.1dBi。[0018]3、使用PIN二极管开关实现了方向图的可重构，其波束扫描范围可覆盖整个360°方位面。[0019]4、使用同轴电缆中心馈电，天线结构简单，辐射效率高达83％。附图说明

[0020]图1为本发明的一种平面端射方向图可重构天线实施例的立体示意图。[0021]图2为本发明的一种平面端射方向图可重构天线实施例的辐射贴片俯视图。[0022]图3为本发明的一种平面端射方向图可重构天线实施例的带槽地板的示意图。[0023]图4为本发明的一种平面端射方向图可重构天线实施例的开关及偏置电路的示意图。

[0024]图5为本发明的一种平面端射方向图可重构天线实施例的反射系数的仿真和测试曲线图。

[0025]图6为本发明的一种平面端射方向图可重构天线实施例的前后比的仿真和测试曲线图。

[0026]图7为本发明的一种平面端射方向图可重构天线实施例的增益的仿真和测试曲线图。

[0027]图8为本发明的一种平面端射方向图可重构天线实施例的效率的仿真和测试曲线图。

[0028]图9为本发明的一种平面端射方向图可重构天线实施例在2.44GHz工作下状态I、II、III、IV的归一化方向图。具体实施方式

[0029]下面将结合附图和具体的实施例对本发明的具体实施作进一步说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属

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于本发明保护的范围。

[0030]如图1至图4所示，本实施例采用厚度为3mm、相对介电常数为2.2、损耗角正切为0.0007的F4BMX作为介质基板1，包括相对的第一表面和第二表面，辐射贴片2贴设于介质基板1的第一表面，带槽地板3贴设于介质基板1的第二表面，开关及偏置电路4设置于带槽地板3的槽内，同轴电缆5穿设于天线的几何中心，其外导体连接所述带槽地板3，内导体贯穿介质基板1并连接辐射贴片2；当所述辐射贴片2以及所述带槽地板3被通过所述同轴电缆5的电信号激励时，所述辐射贴片2与所述带槽地板3的组合设置产生端射方向的电磁辐射。通过控制多个所述开关(6、7、8、9)的通断状态组合，产生可重构的端射辐射方向图。[0031]如图2所示，所述辐射贴片2采用阿耳福特环形(alford loop)结构，其包含多个外圈枝节和多个连接臂，所述每个外圈枝节之间具有缝隙。所述外圈枝节与所述连接臂的数量选择有较大的自由度，可选三个至八个；本实施例采用四个外圈枝节与连接臂结构，所述外圈枝节与所述连接臂的形状选择也有较大的自由度，可以是弧形、矩形、阶梯形或者等效变形等，本实施例采用弧形外圈枝节、矩形连接臂结构，所述外圈枝节与所述连接臂的线宽相同或不同，可用于调节天线的阻抗匹配，所述线宽为0.5mm至6mm，本实施例中外圈枝节的线宽为3mm，连接臂的线宽为3.5mm。所述外圈枝节与所述连接臂的长度用于控制天线的谐振频率，所述所有外圈枝节长度的和为1λλ本实施例中所有外圈枝节长度的和为1.5g至2g。λg。

[0032]如图3、图4所示，所述带槽地板3的直径为0.4λλ本实施例中带槽地板3的g至0.6g。直径为0.5λ所述带槽地板3包括径向槽，所述径向槽的长度小于所述地板3的半径。所述g。

径向槽的形状选择有较大的自由度，可选矩形、扇形、梯形等变形结构，本实施例采用矩形结构。在所述径向槽内设有开关及偏置电路4，所述开关及偏置电路4由PIN二级管、电感、电容和直流连接线组成。所述径向槽与所述开关的数量相同，即每个所述径向槽内均设有一个开关。所述数量的选择有较大的自由度，可选三个至八个，其决定了可重构的状态数量，即n个开关对应n种所述可重构状态。本实施例采用四个径向槽、四个开关的结构，实现了四种可重构的状态。所述n种可重构状态中的第i种状态，定义为所述n个开关中第j个开关断开，而其余n-1个开关导通的情况。所述第i种可重构状态的最大辐射方向定义为所述第j个开关处在的径向槽所指的方向。在本实施例中，第I种状态定义为开关6断开，而其余三个开关均导通的情况。所述第I种状态的最大辐射方向为开关6处在径向槽所指的+x方向。通过控制多个所述开关的通断状态组合，可实现方向图的可重构。所述平面端射方向图可重构天线的波束扫描范围为整个360°方位面。所述开关的位置选择优选所述径向槽的外围。所述带槽地板的直径、所述径向槽的长度和所述开关的位置决定了端射辐射方向图前后比的大小。

[0033]本实施例所述天线的四种工作状态下开关的通断组合方式如表1所示。[0034]表1

[0035]

状态IIIIII开关6断开导通导通开关7导通断开导通

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开关8导通导通断开开关9导通导通导通

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导通导通导通断开

[0036]根据上述参数，使用高频电磁仿真软件HFSS对所设计的一种平面、端射、方向图可重构天线在各个状态下的反射系数、前后比、增益、效率及辐射方向图等特性参数进行了仿真分析，并使用安捷伦科技公司的网络分析仪及Satimo StarLab系统对所述特性参数进行了测试验证。其分析结果如下：

[0037]由于本实施例具有结构对称性，理论上所述各个状态下的反射系数、前后比及增益曲线应该是一致的，仿真结果同样验证了这一点，因此，图5至图8中只给出一条仿真结果曲线。测试结果则给出四条曲线，以反映所述四种状态下的实际性能表现情况。[0038]如图5所示，本发明实施例的仿真与测试的反射系数曲线较为吻合，各个状态下的测试结果也非常接近，其测试阻抗带宽为15％(2.27-2.GHz)。所述测试结果非常接近于仿真结果13.2％(2.34-2.67GHz)。其中所存在的微小频率偏移主要是由具体的加工和实验误差所致，当然，电感、电容和PIN二极管等集总元件的非完善仿真模型也是造成所述频偏的一部分原因。

[0039]如图6所示，本发明实施例的仿真与所述各个状态下的测试前后比曲线同样吻合较好，其仿真最大前后比为24.3dB，所述不同状态下的测试最大前后比分别为22dB，22.4dB，29.4dB，28.2dB。[0040]如图7所示，本发明实施例仿真与测试的增益曲线具有相同的趋势，其中，仿真的带内平均增益为4.19dBi，而不同状态下的测试结果则有轻微的波动，所述不同状态下的测试带内平均增益分别为3.23dBi，3.31dBi，3.42dBi，3.36dBi。[0041]如图8所示，本发明实施例在各个状态下的测试效率基本相同，在通带内的所述各个状态下的测试平均效率均为83％，而仿真效率为97％。所述测试增益、效率均略低于所述仿真结果，这主要是由偏置电路中集总元件及直流连接线的损耗所造成的。[0042]如图9所示，给出了本实施例中各个状态下的辐射方向图的仿真及测试结果。其中，方位面的方向图随着状态的变化而旋转，不同状态下所述方位面方向图分别指向φ＝0°,φ＝90°,φ＝180°,φ＝270°。而垂直面方向图则基本保持不变，始终指向水平面，即保持端射辐射特性。测试的所述各个状态下E面方向图的半功率波束宽度均为135°。这表明，整个360°方位面可被本实施例中四种状态下的波束所覆盖。[0043]综上所述，本发明的一种平面端射方向图可重构天线，在具有优良电路特性和辐射特性的同时，还具有尺寸紧凑、结构简单，降低了射频天线模块的复杂度和成本的优点。

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图1

图2

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图3

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图5

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