一种小型化方向图可重构像素天线及应用方法

1.本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种小型化方向图可重构像素天线及应用于该天线的方法。


背景技术：

2.无线通信技术的快速发展对系统需求提出了更高要求，传统的单功能天线并不能很好的满足当前的需要，并成为制约系统性能发展的瓶颈。可重构天线的提出和发展给这些问题提供了很好的解决方案。可重构天线可以通过频率复用来增加系统的容量，并且能够解决通信中的极化失配的问题，从而提高通信质量。
3.目前，方向图可重构天线在无线通信领域有重要应用，目前通常有两种调节天线辐射方向图的技术方案。一是使用天线阵列和移相器组成相控阵天线，二是在天线设计中加入开关、可变电容等可变元器件，实现智能天线设计。像素天线是一种由主辐射天线、像素阵列和射频开关构成的智能天线，可以通过射频开关的开断实现可重构的天线工作频段、方向图和极化方式等辐射特性。
4.现有技术一(p.lotfi,s.soltani and r.d.murch,"printed endfire beam
‑
steerable pixel antenna,"in ieee transactions on antennas and propagation,vol.65,no.8,pp.3913
‑
3923,aug.2017,doi:10.1109/tap.2017.2716399.)提出了一种方向图可重构的像素天线设计，工作在2.5ghz频段，在天线平面可以实现300
°
的最大辐射方向调节。天线设计为类八木天线的结构，主辐射天线是一对半波长阵子，阵子上方由5行6列的矩形像素阵列组成，横向和纵向的相邻像素单元之间用pin二极管相连，用于调节天线的辐射方向。
5.现有技术主要存在的问题是在实现广角方向图调节时，需要依赖较多数量的像素单元，占用pcb面积较大，不利于小型化设计且成本较高。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的是提供一种在实现相同方向图角度调节范围的情况下，可以减少所需像素单元的数量，降低天线成本的小型化方向图可重构像素天线。
7.本发明的另一目的是提供一种在实现相同方向图角度调节范围的情况下，可以减少所需像素单元的数量，降低天线成本的小型化方向图可重构像素天线的应用方法。
8.为了实现上述主要目的，本发明提供的一种小型化方向图可重构像素天线，包括基板、设于所述基板上的主辐射天线以及设于所述基板上的多个像素单元，相邻的所述像素单元之间采用开关单元进行水平连接、垂直连接以及斜角方向连接，所述开关单元包括水平设置的第一开关单元、垂直设置的第二开关单元、斜角方向设置的第三开关单元以及斜角方向设置的第四开关单元，所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元设于所述基板一面，所述第四开关单元设于所述基板另一面，多个所述像素单元按预设的排列规则进行排列以形成像素天线阵列，以调节方向图角度范围内天线的最大辐射方向。
9.进一步的方案中，在像素天线阵列中，相邻且处于同一行的两个所述像素单元之间通过第一开关单元连接。
10.更进一步的方案中，在像素天线阵列中，相邻且处于同一列的两个所述像素单元之间通过第二开关单元连接。
11.更进一步的方案中，在像素天线阵列中，相邻且处于对角线的两个所述像素单元之间通过第三开关单元或第四开关单元连接。
12.更进一步的方案中，所述开关单元为金属，相邻的所述像素单元之间采用金属进行水平连接、垂直连接以及斜角方向连接。
13.更进一步的方案中，在短路时使用金属直接连接相邻的所述像素单元，引入了水平、垂直以及斜角方向的电流流动，产生水平、垂直以及斜角方向的辐射电场；在开路时则不连接金属，相邻的所述像素单元之间无电流流通。
14.更进一步的方案中，所述开关单元为射频开关，相邻的所述像素单元之间采用射频开关进行水平连接、垂直连接以及斜角方向连接。
15.更进一步的方案中，在短路时，接通射频开关，通过射频开关连接相邻的所述像素单元，引入了水平、垂直以及斜角方向的电流流动，产生水平、垂直以及斜角方向的辐射电场；在开路时则断开射频开关，相邻的所述像素单元之间无电流流通。
16.更进一步的方案中，所述第三开关单元、第四开关单元为
‑
45/+45度斜角方向设置的开关单元。
17.更进一步的方案中，所述可重构像素天线采用偶极天线或八木天线作为主辐射天线，并使用多个所述像素单元调节天线的辐射方向。
18.为了实现上述另一目的，本发明提供的一种小型化方向图可重构像素天线的应用方法，方向图可重构像素天线是采用上述的方向图可重构像素天线，所述方法包括以下步骤：提供一基板，将主辐射天线和多个像素单元按预设的排列规则进行排列以形成像素天线阵列；将水平、垂直、斜角方向的第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元设置在基板正面；将斜角方向的第四开关单元设置在基板背面，引入斜角方向的电流流动，进而产生斜角方向的辐射电场；将相邻的像素单元之间采用开关单元进行水平连接、垂直连接以及斜角方向连接；连接或断开开关单元，在输入不同的控制信号实现同一像素天线的不同辐射方向图，以调节方向图角度范围内天线的最大辐射方向。
19.由此可见，本发明通过改变像素天线的像素单元间连接方式，在实现相同方向图角度调节范围的情况下，减少所需像素单元的数量，在实现方向图可重构天线的小型化设计的同时，还可以降低天线成本。
20.进一步的，本发明在现有连接方式基础上增加第三种相邻像素单元间连接方式，即在斜角方向相邻的像素单元间添加开关以控制开断连接，通过增加像素单元之间的连接形式，可以有效增加感应电流的多样性和其产生的辐射电场的多样性，进而提升方向图的可重构性和天线性能。
21.所以，本发明通过改变像素天线的结构设计，在实现相同方向图调节角度的情况下，减小天线设计的尺寸同时降低成本。或者，在相同的天线尺寸设计下，提升方向图可重构像素天线的方向图角度调节性能。
附图说明
22.图1是本发明一种小型化方向图可重构像素天线实施例的原理图。
23.图2是本发明一种小型化方向图可重构像素天线实施例中去掉金属或断开射频开关时pcb基板正面的结构示意图。
24.图3是本发明一种小型化方向图可重构像素天线实施例中pcb基板正面的结构示意图。
25.图4是本发明一种小型化方向图可重构像素天线实施例中去掉金属或断开射频开关时pcb基板背面的结构示意图。
26.图5是本发明一种小型化方向图可重构像素天线实施例中pcb基板背面的结构示意图。
27.图6是本发明一种小型化方向图可重构像素天线实施例中像素单元去掉或断开开关单元的结构示意图。
28.图7是本发明一种小型化方向图可重构像素天线实施例中正面像素单元间开关单元用金属直接连接的结构示意图。
29.图8是本发明一种小型化方向图可重构像素天线实施例中背面开关单元用金属直接连接的结构示意图。
30.图9是本发明一种小型化方向图可重构像素天线实施例中开关单元去掉或断开的结构示意图。
31.图10是本发明一种小型化方向图可重构像素天线实施例中像素天线可实现的五种辐射方向原理图。
32.图11是本发明一种小型化方向图可重构像素天线实施例中像素天线在图10五种辐射方向图下的s11回波损耗特性的原理图。
33.以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.一种小型化方向图可重构像素天线实施例：
36.参见图1至图9，本发明的一种小型化方向图可重构像素天线，包括基板200、设于基板上的主辐射天线以及设于基板200上的多个像素单元100，相邻的像素单元100之间采用开关单元进行水平连接、垂直连接以及斜角方向连接，开关单元包括水平设置的第一开关单元31、垂直设置的第二开关单元32、斜角方向设置的第三开关单元33以及斜角方向设置的第四开关单元34，第一开关单元31、第二开关单元32、第三开关单元33设于基板200一面，第四开关单元34设于基板200另一面，多个像素单元100按预设的排列规则进行排列以形成像素天线阵列，以调节方向图角度范围内天线的最大辐射方向。
37.其中，在像素天线阵列中，相邻且处于同一行的两个像素单元100之间通过第一开关单元31连接。
38.其中，在像素天线阵列中，相邻且处于同一列的两个像素单元100之间通过第二开关单元32连接。
39.其中，在像素天线阵列中，相邻且处于对角线的两个像素单元100之间通过第三开关单元33或第四开关单元34连接。
40.进一步的，第三开关单元33、第四开关单元34为
‑
45/+45度斜角方向设置的开关单元。
41.进一步的，可重构像素天线采用偶极天线或八木天线作为主辐射天线，并使用多个像素单元100调节天线的辐射方向。
42.在本实施例中，在斜角方向相邻的像素单元100间添加开关以控制开断连接，为像素天线引入了斜角方向的电流流动，进而可以产生斜角方向的辐射电场。其中，像素天线的总辐射电场可以通过对主馈电端口产生的辐射电场和所有像素单元间开关闭合时的感应电流产生的辐射电场求和得到。通过增加像素单元100之间斜角方向的连接形式，可以有效增加感应电流的多样性和其产生的辐射电场的多样性，进而提升方向图的可重构性和天线性能。
43.具体的，本实施例斜角方向的像素单元100的连接包括+45
°
斜角方向和
‑
45
°
斜角方向设置的开关单元。将两个斜角方向的开关单元分别安排在pcb基板200的正面201和背面202，如图2至图5所示，左上到右下的相邻像素单元100之间的连接在pcb基板200的正面201相连(即
‑
45
°
斜角方向)。即用金属直接将两个像素单元100连通，该位置的金属也可以用射频开关代替。若需要实现像素单元100之间的理想开路，则直接去掉金属，两个像素单元100将会断开。右上到左下的相邻像素单元100之间的连接则安排在pcb基板200的背面202(即+45
°
斜角方向)，首先将正面的和背面的金属通过金属过孔相连，背面可以用金属直接连通实现理想短路，也可以用射频开关相连。与正面结构类似，若需要实现像素单元100之间的理想开路，则直接去掉金属，两个像素单元100将会断开。这种结构安排有效实现了斜角方向像素单元100的连接，同时避免了互相之间的干扰。
44.进一步的，开关单元为金属，相邻的像素单元100之间采用金属进行水平连接、垂直连接以及斜角方向连接。
45.进一步的，在短路时使用金属直接连接相邻的像素单元100，引入了水平、垂直以及斜角方向的电流流动，产生水平、垂直以及斜角方向的辐射电场；在开路时则不连接金属，相邻的像素单元100之间无电流流通。
46.进一步的，开关单元为射频开关，相邻的像素单元100之间采用射频开关进行水平连接、垂直连接以及斜角方向连接。
47.进一步的，在短路时，接通射频开关，通过射频开关连接相邻的像素单元100，引入了水平、垂直以及斜角方向的电流流动，产生水平、垂直以及斜角方向的辐射电场；在开路时则断开射频开关，相邻的像素单元100之间无电流流通。
48.在本实施例中，使用金属直接连接会固定天线的辐射方向，天线方向图的可重构性体现在采用不同连接方式的像素天线设计之间会产生不同的天线辐射方向图。在使用射频开关后，天线样机加工完成之后，射频开关的开断仍可以通过手动或者高低电平来控制，天线方向图的可重构性体现在输入不同的控制信号实现同一天线样机的不同辐射方向图。
49.在实际应用中，本发明采用八木天线作为主辐射天线，并使用12个像素单元100调
节天线的辐射方向，像素单元100按照2行6列的形式排布，形成像素天线阵列，在pcb基板200的正面201水平设置的第一开关单元31有10个，在pcb基板200的正面201垂直设置的第二开关单元32有6个，在pcb基板200的正面201的
‑
45
°
斜角方向的第三开关单元33有5个，在pcb基板200的背面202的+45
°
斜角方向的第四开关单元34有5个，共26个可放置开关或设计金属连接的位置，开关位置的序号如图2
‑
5所示，第一开关单元31包括开关1、2、3、4、5、12、13、14、15、16，第二开关单元32包括开关6、7、8、9、10、11，第三开关单元33包括开关。本实施例用理想开路和理想短路的方式调节像素单元100之间的连接，即用短路时用金属直接连接相邻像素单元100，开路时则不连，像素单元100间无电流流通。此结构可以实现150
°
范围的天线最大辐射方向调节。在2.45ghz频率下可实现的辐射方向图结果和反射系数结果如图10和图11所示，天线的最大辐射方向可以在0
°‑
150
°
范围内调节，天线的增益变化范围为4.8db
‑
6.9db，天线的反射系数在2.39ghz到2.48ghz的频段内均小于
‑
10db。
50.具体的，0
°
辐射时短路的开关位置为：开关3、4、5、6、8、9、10、11、13、15、17、21、22、24、25、26。
51.30
°
辐射时短路的开关位置为：开关2、3、4、5、7、8、10、11、12、16、18、19、20、21。
52.60
°
辐射时短路的开关位置为：开关5、7、8、9、11、13、15、16、21、22、25、26。
53.90
°
辐射时短路的开关位置为：开关1、3、5、7、8、9、11、13、16、19、20、22、24。
54.120
°
辐射时短路的开关位置为：开关2、3、4、7、8、10、11、13、15、18、21、24、25、26。
55.150
°
辐射时短路的开关位置为：开关1、3、4、6、7、10、11、12、14、15、21、23、25、26。
56.因此，本发明在像素天线像素点之间增加对角线方向上的开关连接，以调节天线的最大辐射方向；两个交叉对角线同时添加开关连接时，一个对角线上从pcb基板200的正面201直接相连，另一个对角线上通过过孔打通到pcb基板200的背面202，在pcb基板200的背面202相连；当天线最大辐射方向调节范围要求在0
‑
150
°
范围内时，使用12个像素单元100即可实现(2行6列)，所需开关数为26个；当天线最大辐射方向调节范围要求在0
‑
300
°
范围内时，使用18个像素单元100即可实现(3行6列)，所需开关数为47个。当然，具体的开关数可根据用户需要，在0
‑
300
°
范围内进行设计或调整。
57.一种小型化方向图可重构像素天线的应用方法实施例：
58.参见图2，本发明提供的一种小型化方向图可重构像素天线的应用方法，方向图可重构像素天线是采用上述的方向图可重构像素天线，方法包括以下步骤：
59.首先，提供一基板200，将主辐射天线和多个像素单元100按预设的排列规则进行排列以形成像素天线阵列。
60.接着，将水平、垂直、斜角方向的第一开关单元31、第二开关单元32、第三开关单元33设置在基板200正面201。
61.然后，将斜角方向的第四开关单元34设置在基板200背面202，引入斜角方向的电流流动，进而产生斜角方向的辐射电场；将相邻的像素单元100之间采用开关单元进行水平连接、垂直连接以及斜角方向连接。
62.然后，连接或断开开关单元，在输入不同的控制信号实现同一像素天线的不同辐射方向图，以调节方向图角度范围内天线的最大辐射方向。
63.由此可见，本发明通过改变像素天线的像素单元100间连接方式，在实现相同方向图角度调节范围的情况下，减少所需像素单元100的数量，在实现方向图可重构天线的小型
化设计的同时，还可以降低天线成本。
64.进一步的，本发明在现有连接方式基础上增加第三种相邻像素单元100间连接方式，即在斜角方向相邻的像素单元100间添加开关以控制开断连接，通过增加像素单元100之间的连接形式，可以有效增加感应电流的多样性和其产生的辐射电场的多样性，进而提升方向图的可重构性和天线性能。
65.所以，本发明通过改变像素天线的结构设计，在实现相同方向图调节角度的情况下，减小天线设计的尺寸同时降低成本。或者，在相同的天线尺寸设计下，提升方向图可重构像素天线的方向图角度调节性能。
66.需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。