基于开口谐振环的方向图可重构天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于开口谐振环的方向图可重构天线。
【背景技术】
[0002] 近年来无线通信系统的快速发展，对无线通信系统的各部分的性能要求越来越 高。而天线是一种导行波与自由空间波之间能量转换器件或换能器，作为无线通信系统的 核心部件之一，对天线的要求更是苛刻。在无线通信系统中，干扰源多且复杂，无线信号受 多径效应影响较大，所以要求天线有更强的抗干扰能力。方向图的可控能有效避开干扰源， 将天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效 利用移动用户信号并抑制干扰信号的目的。实现方向图可控的一种方法是通过相控阵技 术，但存在馈电网络复杂，体积庞大，成本高和技术难度等缺点。可重构天线则可以以较低 的成本、较小的体积满足上述要求。
[0003] S. V. Shynu Nair 等人提出一种方向图可重构天线["Reconfigurable Antenna With Elevation and Azimuth Beam Switching''，IEEE antennas and wireless propagation letters, vol. 9, 2010.]，天线结构如图1所示，天线由福射贴片、介质基片、地 板、开关及馈电几部分组成。天线的辐射贴片由一个小的激励贴片、一个环形微带以及一个 大的外部贴片组成，没有金属的部分相应的介质基片也被挖空，整个介质基片被架空在距 离地板S处的正上方。在环形微带和内外两个贴片的中间装有四个PIN二极管，同时环形 微带通过装有PIN二极管的短路钉连接到地。为了减小PIN二极管的直流馈电对射频信号 的影响，天线辐射贴片的三个部分分别连接一个扼流电感，在扼流电感的另一侧馈入直流 信号。当天线工作时，通过控制AB⑶四处的电压，改变各个PIN二极管的导通及截止的状 态，从而决定天线辐射贴片中接地的个数以及位置，进而改变天线表面的电流分布，使辐射 方向图向不同的方向偏转。但，该天线存在以下劣势：1)天线结构复杂，尺寸较大；2)带宽 较窄，增益很低；3)开关的切换及偏置复杂；4)短路钉上有二极管、介质板被完全分成三部 分难以加工及固定。
[0004] 华军等人提出一种多频方向图可重构天线["基于双开口谐振环的多频方向图可 重构天线"，【申请号】201210202371. 9,申请日期：2012. 06. 15,授权公告号：CN 102694277 A，申请公布日：2012. 09. 26]，天线结构如图2所示，天线包括第一金属片1、圆形金属馈电 片2、介质板3、四个第二金属片4、四个金属开口谐振环5和八个开关6,介质板3的下表 面附着有一层金属片1，介质板3的上表面的中部附着有圆形金属馈电片2,四个金属开口 谐振环5阵列附着围绕于圆形金属馈电片2的周围，所述每个金属开口谐振环5为圆形的 同心内外双环结构，每个金属开口谐振环5的圆心附着有一个第二金属片4,每个金属开口 谐振环5的内环具有两个内环开口 5-1，每个金属开口谐振环5的外环具有两个外环开口 5-2,每个金属开口谐振环5的其中一个内环开口 5-1处设置有一个开关6,每个金属开口谐 振环5与另一个内环开口 5-1相邻的外环开口 5-2处设置有一个开关6,每个金属开口谐振 环5上设置的两个开关6导通时两个开关6处的电流方向相反，所述每个开关6均为能用 外置电路来控制的变容二极管。但是，该天线单元较多、尺寸较大、结构复杂，且天线每个金 属谐振环上的每个开关均需要分别添加直流偏置，故直流偏置排布复杂且实现难度大。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述现有技术中方向图可重构天线存在的尺寸大、结构复杂等问题，本 发明基于开口谐振环提出一种方向图可重构天线，尺寸小、结构简单的特点使得本天线在 实际应用方面更受青睐。
[0006] 本发明具体采用如下技术方案：
[0007] -种基于开口谐振环的方向图可重构天线，其结构如图3所示，包括中心辐射贴 片1，开口环形微带福射单元，开关组4、5,介质基板6及接地金属板7,所述中心福射贴片 1、开口环形微带辐射单元均设置于介质基板6的上表面，所述接地金属板7设置于介质基 板6下表面，所述开口环形微带辐射单元由一个以上的开口谐振环2、3构成，所述开口谐振 环为形状相同的同心环状结构，中心辐射贴片1位于所述开口环形微带辐射单元的中心；
[0008] 每个开口谐振环具有两个开口，每个开口处设置有一个开关，同一个开口谐振环 上的两个开关导通时所述两个开关的电流方向相同；每个开关的通断状态可通过外部的偏 置电路独立控制；通过控制开关的通断，改变天线表面的电场分布，由此得到三种不同的辐 射模式：
[0009] 模式一，所有开口谐振环同一位置的一组开关4断开，另一组开关5导通，该天线 的辐射方向图偏向x轴负方向；
[0010] 模式二：所有开口谐振环同一位置的一组开关4导通，另一组开关5断开，该天线 的辐射方向图偏向x轴正方向；
[0011] 模式三：所有开口谐振环上的所有开关均导通时，该天线的辐射方向图指向z轴 正方向。
[0012] 进一步的，所述中心辐射贴可以采用矩形或者方形，也可以采用三角形、圆形、椭 圆形或者其他多边形，具体形状视该天线的实际用途而定。
[0013] 所述开关为PIN二极管开关。
[0014] 需要说明的是：
[0015] 1)本发明通过中心辐射贴片1进行激励，并在开口环形微带辐射单元上感应出相 应的电场来实现辐射；在辐射贴片1的外侧添加的开口谐振环的数量不固定，可以是一个 或者多个，环的数量会影响天线的尺寸和波束偏转的角度；开口谐振环的轮廓可以不与中 心辐射贴片1外形一致，但二者的轮廓一致能够在开口谐振环上感应更强的电场，从而实 现更好的方向图偏转效果；
[0016] 2)所述开口谐振环的开口位于环的非辐射边一侧时，该天线的方向图具有更好的 偏转效果；但若开口位于辐射边，也可以实现方向图偏转；在开口谐振环的中间位置开口 可以实现更好的偏转效果，但开口并不限于中间位置，可以在微带环的不同位置开口并安 装开关，通过控制开关状态实现方向图重构。
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] 1)本发明采用加载PIN二极管开关的形式，利用一个辐射单元，改变馈电位置和 开关状态，可以得到六种模式的方向图；天线结构简单，体积小，重量轻，易于加工与集成；
[0019] 2)本发明提供的天线在不同模式下，工作频率保持不变，如图8和10,方向图可以 根据实际应用情况进行调整，实现对覆盖范围的有效控制，可避开干扰源，指向目标用户， 从而提尚用户通彳目质量的目标；
[0020] 3)本发明提供的天线增益高，一个馈电点馈电时，最大增益可达到7. 6dBi ;两个 馈电点分别馈电时，最大增益可达到7. 4dBi ;
[0021] 4)本发明通过馈电点的切换可以方便地实现线极化和圆极化，且每种极化方式都 有多种模式的方向图重构。
【附图说明】
[0022] 图1为【背景技术】所述矩形微带贴片天线俯视图、侧视图；
[0023] 图2为【背景技术】所述基于双开口谐振环的多频方向图可重构天线的结构示意图；
[0024] 图3为本发明提供的基于开口谐振环的方向图可重构天线的结构示意图；
[0025] 图4为本发明提供的方向图可重构天线三种模式的辐射方向图
[0026] 图5为本发明提供的方向图可重构天线三种模式的S参数仿真结果；
[0027] 图6为本发明提供的基于开口谐振环的双馈点方向图可重构天线结构示意图；
[0028] 图7为本发明提供的双馈点方向图可重构天线模式一、二、三的方向图，其中图 7(a)为 xoz 面，图 7(b)为 yoz 面；
[0029] 图8为本发明提供的双馈点方向图可重构天线模式一、二、三的S参数仿真结果；
[0030] 图9为本发明提供的双馈点方向图可重构天线模式四、五、六的方向图，其中图 9 (a)为 xoz 面，图 9 (b)为 yoz 面；
[0031] 图10为实施例2提供的双馈点方向图可重构天线模式四、五、六的S参数仿真结 果；
[0032] 图11为本发明提供的圆极化方向图可重构天线的轴比；
[0033] 图12为本发明提供的圆极化方向图可重构天线五种模式三维方向图，其中（a)为 模式一，（b)为模式二，（c)为模式三，（d)为模式四，（e)为模式五；
[0034] 图13为本发明提供的圆极化方向图可重构天线五种模式二维方向图，其中（a)为 模式一，（b)为模式二，（c)为模式三，（d)为模式四，（e)为模式五。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0036] 实施例1
[0037] 本实施例提供一个基于开口谐振环的方向图可重构天线，其结构如图3