极化可重构天线及三种极化方式快速切换方法与流程

本发明展示可实现左旋圆极化、右旋圆极化和线极化三种极化方式切换的小型共面波导微带天线，具体的，其展示一种极化可重构天线及三种极化方式快速切换方法。

背景技术

圆极化天线被广受关注，是因为圆极化天线在复杂的环境下具有优异的抗干扰性能，在雷达、通信、广播等领域都有着广泛的应用；圆极化又分为左旋圆极化和右旋圆极化，实现不同极化的切换可以同时满足多种不同场合的应用。

当前有很多研究工作者提出了不同的极化可重构天线的设计方法，但是，目前的方法中在设计复杂度，天线尺寸，切换速度等方面都还存在一定的缺陷。

因此，有必要提供一种极化可重构天线来解决上述问题。

发明内

本发明的目的是提供一种极化可重构天线。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：

一种极化可重构天线，包括介质基板、金属地、微带馈线、方形槽、窄微带枝节、pin二极管；金属地和微带馈线设置在介质基板的上表面，方形槽设置在介质基板的正中心，并且以微带馈线所在的中心线呈轴对称，窄微带枝节由四根不同方位的金属微带枝节组成，具体为左上侧窄微带枝节、左下侧窄微带枝节、右上侧窄微带枝节、右下侧窄微带枝节；微带馈线包括短微带线、中间微带线、长微带线，短微带线由50欧姆的阻抗微带线构成用于向天线提供激励；中间微带线位于短微带线与长微带线之间用于阻抗变换；pin二极管包括左上侧pin二极管、左下侧pin二极管、右上侧pin二极管、右下侧pin二极管；左上侧pin二极管、右上侧pin二极管分别将左上侧窄微带枝节、右上侧窄微带枝节划分为两段。

进一步的，窄微带枝节由左上侧窄微带枝节、左下侧窄微带枝节、右上侧窄微带枝节、右下侧窄微带枝节共同组成，其中左上侧窄微带枝节、左下侧窄微带枝节、右上侧窄微带枝节、右下侧窄微带枝节均与微带馈线平行。

进一步的，左下侧pin二极管的正负两极分别与左下侧窄微带枝节的下端、金属地相连接，右下侧pin二极管的正负两极分别与左下侧窄微带枝节的下端、金属地相连接。

进一步的，介质基板采用fr4材料，厚度为0.8mm，介电常数为4.4，其面积为50×50mm²；金属地由一个方环型金属贴片挖去一个矩形槽所得，其中方环型金属贴片的外侧边长为50mm，内侧边长为22mm，被挖去的矩形槽位于方环型金属贴片的正下侧。

进一步的，长微带线的下端与中间微带线的上端相连，并且长微带线的上端形成开路，长微带线作为天线辐射器的主要部分；方形槽的边长与金属地的内侧边长相等。

进一步的，左上侧窄微带枝节、右上侧窄微带枝节设置在方形槽的上侧，左上侧窄微带枝节和右上侧窄微带枝节的上端分别与金属地相接，下端形成开路。

进一步的，设置在左上侧窄微带枝节的pin二极管，其正负极的方向为：上端负极，下端正极；设置在右上侧窄微带枝节的pin二极管其正负极的方向为：上端负极，下端正极；左下侧窄微带枝节的下端与左下侧pin二极管的正极相连后，通过左下侧pin二极管的负极与金属地相连；右下侧窄微带枝节的下端与右下侧pin二极管的正极相连后，通过与右下侧pin二极管的负极与金属地相连。

本发明的目的之二是提供一种快速三种极化方式切换方法，具体包括如下步骤：

1）当左上侧pin二极管、右上侧pin二极管断开，左下侧pin二极管、右下侧pin二极管导通时，所设计的天线实现线极化；

2）当左上侧pin二极管、右下侧pin二极管断开，左下侧pin二极管、右上侧pin二极管导通时，所设计的天线实现左旋极化；

3）当左上侧pin二极管、右下侧pin二极管导通，左下侧pin二极管、右上侧pin二极管断开时，所设计的天线实现右旋极化；

进一步的，pin二极管的导通与断开是由直流偏置电路控制的，所述的直流偏置电路是一种可以输出直流脉冲的电路装置。

与现有技术相比，本发明结构简单，设计灵活，能快速进行左旋圆极化、右旋圆极化和线极化三种极化方式切换。

附图说明

图1是本发明极化可重构天线的横截面示意图。

图2是本发明极化可重构天线的平面结构图之一。

图3是本发明极化可重构天线的平面结构图之二。

图4是本发明天线在线极化的情况下的仿真与测量回波损耗曲线。

图5是本发明天线在左旋圆极化和右旋圆极化情况下的仿真与测量回波损耗。

图6是本发明天线左旋圆极化和右旋圆极化情况下的仿真与测量轴比曲线。

图7是本发明天线在左旋圆极化和右旋圆极化情况下的仿真与测量方向图。

图8是本发明天线在线极化情况下的仿真与测量方向图。

图9是本发明天线左旋圆极化情况下的增益与效率曲线。

图10是本发明天线右旋圆极化情况下的增益与效率曲线。

图11是本发明天线线极化情况下的增益与效率曲线。

具体实施方式

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左端”、“右端”“上表面”、“下表面”、“左侧”、“右侧”、“上侧”、“下侧”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不能认定为所指示的元件或者装置是特定的方位。

本发明的描述中，所给出的结构尺寸为优选参数，参照本发明的实施例，修改各个部件的参数可以进一步得到实际所需的性能。

实施例：

参照图1-4，本实施例展示一种极化可重构天线：

包括介质基板1、金属地2、微带馈线3、方形槽4、窄微带枝节5、pin二极管6；金属地2和微带馈线3设置在介质基板1的上表面，方形槽4设置在介质基板1的正中心，并且以微带馈线3所在的中心线呈轴对称，窄微带枝节5由四根不同方位的金属微带枝节组成，具体为左上侧窄微带枝节50、左下侧窄微带枝节51、右上侧窄微带枝节52、右下侧窄微带枝节53；pin二极管6由四个不同方位的pin二极管组成，具体为左上侧pin二极管60、左下侧pin二极管61、右上侧pin二极管62、右下侧pin二极管63，其中，左上侧pin二极管60、右上侧pin二极管62分别将左上侧窄微带枝节50、右上侧窄微带枝节52划分为两段,pin二极管61的正负两极分别与左下侧窄微带枝节51的下端、金属地2相连接，右下侧pin二极管63的正负两极分别与左下侧窄微带枝节53的下端、金属地2相连接。

介质基板1，采用fr4材料，厚度为0.8mm，介电常数为4.4，其面积为50×50mm2。

金属地2，由一个方环型金属贴片挖去一个矩形槽所得，其中方环型金属贴片的外侧边长为50mm，内侧边长为22mm，被挖去的矩形槽位于方环型金属贴片的正下侧。

微带馈线3，其由三条不同尺寸的微带线组成，具体分为短微带线30、中间微带线31、长微带线32，其中，短微带线30是50欧姆的阻抗微带线，实际应用中，短微带线30与50欧姆的sma接头相接，给天线提供激励；中间微带线31位于短微带线30与长微带线32的之间，中间微带线31起到阻抗变换的作用，是调节天线阻抗匹配的关键结构之一。长微带线32下端与中间微带线31的上端相连，长微带线32上端形成开路，长微带线32作为天线辐射器的主要部分。

方形槽4，方形槽4位于介质基板1的中心,方形槽4的边长与金属地的内侧边长相等，方形槽4以微带馈线3所在的中心线呈轴对称。

窄微带枝节5，由左上侧窄微带枝节50、左下侧窄微带枝节51、右上侧窄微带枝节52、右下侧窄微带枝节53共同组成，其中左上侧窄微带枝节50、左下侧窄微带枝节51、右上侧窄微带枝节52、右下侧窄微带枝节53均与微带馈线3平行设置。

左上侧窄微带枝节50、右上侧窄微带枝节52设置在方形槽4的上侧，左上侧窄微带枝节50和右上侧窄微带枝节52的上端分别与金属地2相接，下端形成开路。设置在左上侧窄微带枝节50的pin二极管60其正负极的方向为：上端负极，下端正极；设置在右上侧窄微带枝节52的pin二极管62其正负极的方向为：上端负极，下端正极。

左下侧窄微带枝节51的下端与左下侧pin二极管61的正极相连后，通过左下侧pin二极管61的负极与金属地2相连；右下侧窄微带枝节53的下端与右下侧pin二极管63的正极相连后，通过与右下侧pin二极管63的负极与金属地2相连。

本实施例中，介质基板1，金属地2，微带馈线3,方形槽4构成共面波导型天线，其中，微带馈线3给天线提供激励，金属地2既作为天线的地板，同时又属于天线辐射的一部分。

同时，本实施例中，微带馈线3由短微带线30、中间微带线31、长微带线32首尾相连组成，微带馈线3通过sma接头给天线提供激励，中间微带线31是阻抗转换器，通过优化、中间微带线31的宽度可以使得天线在设置的工作频点匹配。

同时，本实施例中，所设计的天线工作中心频率设置在2.4ghz，实际使用中，不同的工作中心频率是可以通过优化部分结构参数可以得到。

本实施例中，极化可重构天线可实现三种不同极化的切换，极化的切换是通过控制pin二极管的导通和断开来实现的，具体实现的极化工作方式为：

当左上侧pin二极管60、右上侧pin二极管62断开，左下侧pin二极管61、右下侧pin二极管63导通时，所设计的天线实现线极化；

当左上侧pin二极管60、右下侧pin二极管63断开，左下侧pin二极管61、右上侧pin二极管62导通时，所设计的天线实现左旋圆极化；

当左上侧pin二极管60、右下侧pin二极管63导通，左下侧pin二极管61、右上侧pin二极管62断开时，所设计的天线实现右旋圆极化；

本实施例中，四个pin二极管采用的均是skyworkssolutioninc,封装形式为smp1322的pin二极管。

本实施例中，pin二极管的导通与断开是由直流偏置电路控制的，所述的直流偏置电路是一种可以输出直流脉冲的电路装置。

为了验证本发明实施例的实际效果，对本发明极化可重构天线的性能进行了仿真与测试，包括获得线极化、左旋圆极化、右旋圆极化三种极化方式的结果。

本实施例中，当左上侧pin二极管60、右上侧pin二极管62断开，左下侧pin二极管61、右下侧pin二极管63导通时，所述的天线得到线极化，如图3所示是本发明天线在线极化的情况下回波损耗随频率变化的曲线，从中可以看出，天线的阻抗带宽达到10.4%（2.27-2.52ghz）。

本实施中，当左上侧pin二极管60、右下侧pin二极管63断开，左下侧pin二极管61、右上侧pin二极管62导通时，所设计的天线实现左旋极化；当左上侧pin二极管60、右下侧pin二极管63导通，左下侧pin二极管61、右上侧pin二极管62断开时，所设计的天线实现右旋极化；

图5展示了左旋圆极化和右旋圆极化情况下天线的回波损耗，从中可以看出，左旋圆极化天线的回波损耗在2.28-3.63ghz范围内小于-10db，右旋圆极化天线的回波损耗在2.22-3.65ghz范围内小于-10db。

图6展示了天线左旋圆极化和右旋圆极化情况下的仿真与测量轴比曲线，其中左旋圆极化带宽为2.28-2.51ghz，右旋圆极化带宽为2.3-2.50ghz。

图7展示了本发明天线在左旋圆极化和右旋圆极化情况下的仿真与测量方向图，结果显示天线具有良好的侧向辐射性能，仿真与测量结果相吻合。

图8展示了本发明天线在线极化情况下的方向图，结果显示天线具有很好的全向辐射性能。

图9展示了本发明天线左旋圆极化情况下的增益与效率曲线，结果显示在2.2-2.7ghz范围内，天线的效率达到了67%以上，峰值增益在1dbic到2.86dbic之间.

图10展示了本发明天线右旋圆极化情况下的增益与效率曲线，结果显示在2.2-2.7ghz范围内，天线的效率达到了73%以上，峰值增益在1.28dbic到2.82dbic之间

图11展示了本发明天线线极化情况下的增益与效率曲线，结果显示在2.2-2.7ghz范围内，天线的效率达到了66%以上，峰值增益在0.1dbic到2.24dbic之间

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。