一种双模式波束方向可切换天线的制作方法
【专利摘要】该发明公开了一种双模式波束方向可切换天线，包括：绝缘介质基板，位于绝缘介质基板上的馈电点、控制电路、准八木天线，位于绝缘介质基板下的金属地板、绝缘材料、金属反射板，馈电点通过位于两侧的还有PIN二极管的控制电路与对应的准八木天线相连，通过控制PIN二极管的通断实现切换天线波束的发射方向，因而具有可以在YOZ面内覆盖天线上半空间、不对下半空间造成干扰，且降低生产成本的特点。
【专利说明】一种双模式波束方向可切换天线
【技术领域】
[0001]本发明属于电子【技术领域】，特别涉及带有PIN 二极管开关的波束方向可切换天线技术。
【背景技术】
[0002]随着综合通信系统的快速发展，作为信息出入通道的天线的数量也相应增加，从而增加了综合信息系统的成本和馈电线路的损耗。波束方向可切(方向图可重构)换天线能根据通信环境的变化实时改变发射和接收天线的波束方向，从而有效避免噪声干扰，提高系统增益和安全性。另外，波束方向可切换天线一般使用一个或很少几个馈电端口，可以避免信号合成过程中的损耗。在车载、机载或者天线下方具有其他射频电路等应用场景下，天线的波束方向应该避免发射向下半空间，以减少对于其它微波电路的干扰。
[0003]文献“Wide-AngleScanning Phased Array With Pattern ReconfigurableElements (基于方向图可重构天线的宽角度扫描相控阵)” [J]《IEEE TRANSACTIONSON ANTENNAS AND PROPAGATION)) VOL.59, N0.11, N0VEMBER2011: 4071 - 4076Yan-YingBai, Shaoqiu Xiao, Ming-Chun Tang, et al,设计了一种具有三种发射模式的波束方向可切换天线，此天线包括:长方形绝缘介质基板及印制在其下方的金属地板，在绝缘介质基板上表面的中间部位印制发射振子，在振子的两侧各印制一条寄生金属贴片，每条寄生金属贴片由三段组成，每相邻两段之间的间隙连接一个二极管开关。当寄生金属贴片上的两个二极管开关均接通时，该寄生金属贴片的三段连成一个整体，其长度大于发射振子，对天线的发射起到反射作用；当寄生金属贴片上的两个二极管开关均断开时，该寄生金属贴片的三段不能连成一个整体，其每段的长度都小于发射振子，对天线的发射起到引向的作用。为了避免天线向下半空间发射，该天线在绝缘介质基板的下表面印制金属地板，其长宽尺寸和绝缘介质基板相同，但是金属地板对发射起到了反射作用，使得该天线波束方向不能覆盖靠近地板所在平面的区域。为了使两种端射模式的波束更加贴近地板，该天线将绝缘介质基板加厚到8mm，但是因为通常使用的绝缘介质基板一般不超过2mm，加厚介质板得制作十分困难，而且加厚介质板不能完全解决该问题，该长方形平板天线，以长边所在方向为Y轴，短边所在方向为X轴，垂直于天线平板的方向为Z轴，建立坐标系，该天线在YOZ平面可以覆盖到-71°?78°，不能覆盖全上半空间。
【发明内容】
[0004]本发明针对【背景技术】的不足改进设计了一种双模式波束方向可切换天线，该天线绝缘介质基板两侧分别设置一个连接有控制电路的准八木天线，通过控制电路中PIN 二极管的通断来切换天线波束的发射方向，从而达到可以在YOZ面内覆盖天线上半空间且不对下半空间造成干扰，且降低生产成本的目的。
[0005]本发明的技术方案是用准八木天线替换【背景技术】中的发射振子及寄生金属贴片，从而增大天线发射角度，使波束覆盖天线上半空间。本发明采用普通绝缘介质基板，该绝缘介质基板中间段区域下表面设置金属地板，上表面正中心设置馈电点，馈电点通过两条控制电路分别对应连接设于绝缘介质基板两侧区域的准八木天线，两侧区域下表面设置绝缘材料，绝缘材料下表面设置金属反射板。工作时通过控制PIN 二极管的通断来切换天线波束的发射方向。因而本发明一种双模式波束方向可切换天线包括:绝缘介质基板以及其上表面的控制电路、发射体、金属地板、绝缘材料、金属反射板、同轴馈线，关键在于该绝缘介质基板中间段区域下表面设置金属地板，上表面正中心设置馈电点，馈电点通过两条控制电路分别对应连接设于绝缘介质基板两侧区域的发射体，该发射体采用准八木天线，两侧区域下表面设置绝缘材料，绝缘材料下表面设置金属反射板；同轴馈线从下方对天线馈电，外导体连接金属地板，内导体穿过金属地板连接绝缘介质基板上表面的馈电点。
[0006]所述双模式波束方向可切换天线，其中控制电路由馈电点到准八木天线依次设置隔直电容、PIN 二极管、导线；隔直电容与PIN 二极管共接点处连接一接地电感，导线上另外设置一条依次连接电感、电阻的支路。
[0007]所述双模式波束方向可切换天线，每个准八木天线由两个金属贴片振子和两个金属引向贴片组成，两个金属贴片振子分别设置在绝缘介质基板的上表面和下表面且位于导线的两侧，下表面金属贴片振子通过导线与金属地板相连，两个金属引向贴片等距离均匀设置在绝缘介质基板的上表面，且位于金属贴片振子的外侧。
[0008]所述双模式波束方向可切换天线，其中绝缘材料为泡沫材料。
[0009]本发明利用馈电点两侧分别设置一通过PIN 二极管控制通断的准八木天线，通过控制PIN 二极管的通断切换天线波束的发射方向，从而具有可以在YOZ面内覆盖天线上半空间且不对下半空间造成干扰的特性，同时本设计采用易于加工制作的材料，降低了生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为【背景技术】具有三种发射模式的方向图可重构天线的正面结构示意图；
[0011]图2为本发明一种双模式波束方向可切换天线的正面结构示意图；
[0012]图3为本发明一种双模式波束方向可切换天线的侧面结构示意图；
[0013]图4为本发明天线的仿真与测试回波损耗示意图；
[0014]图5为本发明天线在5.3GHz的3D仿真方向图；
[0015]其中图5 (a)是天线处于模式一时的3D仿真方向图，图5 (b)是天线处于模式二时的3D仿真方向图。
[0016]图6为本发明天线在5.3GHz的2D仿真方向图；
[0017]其中图6 (a)是天线工作在模式一和模式二时YOZ面方向图，图6 (b)是天线工作在模式一和模式二时XOY面方向图。
[0018]图7为本发明天线在工作频带内的仿真增益。
[0019]图中:1.金属引向贴片，2.绝缘介质基板上表面的金属贴片振子，3.第二段片状导线，4.第一段片状导线，5.电感，6.PIN 二极管，7.金属通孔8.馈电点，9.高阻抗金属线，10.隔直电容，11.电阻，12.绝缘介质基板，13.绝缘介质基板下表面的金属贴片振子，14.金属反射板，15.金属地板，16.同轴馈线，17.塑料泡沫。【具体实施方式】
[0020]金属反射板14、金属地板15和绝缘介质基板12上的金属贴片均为厚度为0.07mm的铜箔，金属反射板14的尺寸为50*15.8mm2，金属地板15的尺寸为50*59.2mm2 ;绝缘介质基板12和金属反射板14之间填充尺寸为50*15.8*19.4mm3、相对介电常数为1.06的塑料泡沫17 ;绝缘介质基板12为相对介电常数2.65、厚度0.8mm的聚四氟乙烯，其尺寸为50*100mm2 ;同轴馈线16的特性阻抗为50 Ω ;绝缘介质基板的金属化通孔7直径为0.5mm。
[0021]绝缘介质基板上方的金属贴片如图2所示。绝缘介质基板12上表面的馈电点8尺寸为2*2mm2 ;隔直电容和PIN二极管之间的金属焊片是3*3mm2，其他连接点的金属焊片是2*2_2 ;隔直电容10为10pF，高阻抗线9的长度约为1/4 λ (λ为天线的工作中心频率)，其尺寸为11.5*0.4mm2 ;电感5为ImH，电感所在的间距为2mm ;第一段片状导线4的尺寸为20*3.1mm2 ;第二段片状导线3的尺寸为9.7*1.4mm2 ;电阻11的阻值为2.2k Ω ;位于绝缘介质基板上表面的金属贴片振子2和位于绝缘介质基板下表面的金属贴片振子13的尺寸为11*1.Smm2 ;金属引向贴片I的尺寸均为14*2mm2 ;两金属引向贴片与金属贴片振子之间两两间隔2mm。
[0022]将5V的直流控制信号源的负极连接在金属地板上，正极连接在电阻11的一端上，利用直流控制信号源控制PIN 二极管的通断，当右边PIN 二极管导通且左边PIN 二极管截止时，右端天线发射体工作，此时为模式一(model)；当右边PIN 二极管截止而左边PIN 二极管导通时，左端的天线发射体工作，此时为模式二(mode2)。由于天线结构对称，两种工作模式下的回波损耗和增益相同，仿真结果分别如图3和图6所示；两种工作模式的仿真方向图如图4和图5所示。仿真结果显示，天线的工作频段为5.0OGHz-5.65GHz，两种模式的YOZ面主瓣分别指向θ=±55°，3dB波瓣宽度均为110°，XOY面内的主瓣指向分别为Φ=±90°，3dB波瓣宽度均为120°，工作频段内增益为7.3dB1-7.7dBi。该实施例的仿真结果可以达到在YOZ平面上覆盖上半空间且不对下半空间产生发射的目的，工作频段内增益平缓。在其他具体需求的情况下，可以通过调节反射板的尺寸及其与绝缘介质基板的距离对发射方向图进行调节，拓展了该天线的应用范围。
【权利要求】
1.一种双模式波束方向可切换天线包括:绝缘介质基板以及其上表面的控制电路、发射体、金属地板、绝缘材料、金属反射板、同轴馈线，其特征在于该绝缘介质基板中间段区域下表面设置金属地板，上表面正中心设置馈电点，馈电点通过两条控制电路分别对应连接设于绝缘介质基板两侧区域的发射体，该发射体采用准八木天线，两侧区域下表面设置绝缘材料，绝缘材料下表面设置金属反射板；同轴馈线从下方对天线馈电，外导体连接金属地板，内导体穿过金属地板连接绝缘介质基板上表面的馈电点。
2.如权利要求1所述的双模式波束方向可切换天线，其特征在于:控制电路由馈电点到准八木天线依次设置隔直电容、PIN 二极管、导线；隔直电容与PIN 二极管共接点处连接一接地电感，导线上另外设置一条依次连接电感、电阻的支路。
3.如权利要求1所述的双模式波束方向可切换天线，其特征在于:其中每个准八木天线由两个金属贴片振子和两个金属引向贴片组成，两个金属贴片振子分别设置在绝缘介质基板的上表面和下表面且位于导线的两侧，下表面金属贴片振子通过导线与金属地板相连，两个金属引向贴片等距离均匀设置在绝缘介质基板的上表面，且位于金属贴片振子的外侧。
4.如权利要求1所述的双模式波束方向可切换天线，其特征在于:其中的绝缘材料为泡沫材料。`
【文档编号】H01Q1/38GK103606759SQ201310630156
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】王任, 王秉中, 丁霄 申请人:电子科技大学