小型化垂直于天线平面的h面全向扫描波束可切换天线的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种小型化垂直于天线平面的H面全向扫描波束可切换天线，属于电子【技术领域】，特别涉及带有PIN二极管开关的波束可切换天线技术。天线包括：带馈电输入口的矩形中层绝缘基板及设于其上表面的贴片振子、设于其下表面的金属接地板，紧贴于中层绝缘基板上、下表面的四块矩形表层绝缘基板及设于其表面的寄生贴片、PIN二极管开关、控制开关的偏置电路。通过控制开关通断切换8个波束辐射方向，实现了竖直平面内的全向扫描，并且将天线的扫描维度由天线所在的平面拓展至与天线垂直的平面，在两种不同的工作频段下分为粗扫细扫两种扫描方式，扩大了天线的应用范围，能够满足不同环境的需求。
【专利说明】小型化垂直于天线平面的H面全向扫描波束可切换天线
【技术领域】
[0001]本发明属于电子【技术领域】，特别涉及带有PIN 二极管开关的波束可切换天线技术。
【背景技术】
[0002]由于越来越多的信息内容需要传输，现代通信系统对无线通信中的信息传输速率要求也越来越高，但是由于多径衰落的存在，数据传输速率随着信号传输距离的增加而减小。大量研究表明，恰当使用可切换波束的天线是一条解决此问题的途径。方向图可重构天线能根据通信环境的变化实时改变发射和接收天线的方向图，从而有效减弱噪声干扰，对抗多径衰落，提高信息传输速率。
[0003]文献“一种具有频率和波束可重构特性的圆形天线”(Xiaotao Cai，AnguoWang, Weigang Chen.A circular disc-shaped antenna with frequency and patternreconfigurable characteristics[C].201IChina-Japan Joint Microwave ConferenceProceedings (CJMW), 20_22April2011:1-4)设计了一种圆盘形的方向图可重构天线(如图1)。该天线包括带馈电输入口的圆形绝缘基板，设于基板下表面且尺寸与基板相同的圆形金属接地板，设于基板上表面的中心圆形馈电贴片、开关、带辐射槽的扇形金属贴片，同轴馈线外导体连接金属接地板，内导体穿过绝缘基板与中心圆形馈电贴片连接。五个扇形金属贴片将天线分为五个区域，每个区域可视为一个相对独立的单元天线，分别通过一开关与中心圆形馈电贴片连接，扇形金属贴片中的辐射槽设置有两个开关，用以控制辐射槽的电长度，进而改变天线的工作频率，实现双频工作。通过切换连接中心圆形馈电贴片与扇形金属贴片的开关状态使不同的单元天线工作，所以该天线可以在天线所在平面内的五个方向实现波束切换，但是，由于该天线的辐射体特性的限制，天线在E面(平行于电场方向)的波束比较窄，每个波束在天线所在的平面的3dB波瓣宽度均为45°，通过切换这五个波束，每相邻两波束之间约有27°的间隙，即还共有约135°的扫描盲区，并不能实现天线所在平面上的全覆盖。
[0004]另外，已有的文献很少涉及在H面(平行于磁场方向)的扫描，如何使用可重构技术扩大天线单元的波束覆盖范围，实现垂直于天线所在平面内的扫描，并且覆盖整个平面，减小天线尺寸并在有限的空间内设计PIN 二极管开关的直流偏置电路需要更加深入的研究。
【发明内容】
[0005]本发明提出了一种小型化垂直于天线平面的H面全向扫描波束可切换天线，该天线设置有具体的控制PIN 二极管开关的直流偏置电路，具有八种波束方向，通过切换开关状态实现在天线垂直的平面的H面全向扫描，并且该天线具有两种扫描方式，可以在两个工作频率下实现粗扫和细扫，扩大了天线的应用范围。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的，天线包括:带馈电输入口的矩形中层绝缘基板及设于其上表面的贴片振子、设于其下表面的金属接地板，紧贴于中层绝缘基板上、下表面的四块矩形表层绝缘基板及设于其表面的寄生贴片、PIN 二极管开关、控制开关的偏置电路，其特征在于所述四块矩形表层绝缘基板的一长边、两窄边与中层绝缘基板的边相重合，同一平面的两表层绝缘基板相互平行且中间有空隙；所述贴片振子通过一金属通孔与接地板连通；所述寄生贴片由寄生贴片主体及其两端的延长段组成，延长段通过PIN 二极管开关与寄生贴片主体连接；所述金属接地板为长方形接地板，其几何中心与中层绝缘基板的中心重合，金属接地板连接同轴馈线外导体，内导体穿过绝缘基板与贴片振子连接。
[0007]所述控制开关的偏置电路包括电感、第一高阻抗线、第二高阻抗线，电感一端连接在寄生贴片主体的中间位置，另一端通过金属贴片焊盘连接第一高阻抗线，此第一高阻抗线通过金属贴片焊盘连接直流控制电源的正极，第一高阻抗线的长度为λ/4土 λ/16 (λ为工作频段的中心波长)；两延长段各连接一长度相同的第二高阻抗线，此第二高阻抗线通过金属贴片焊盘连接直流控制电源的负极。
[0008]所述贴片振子、寄生贴片、金属接地板、第一高阻抗线、第二高阻抗线及金属贴片刻蚀或印刷于绝缘基板。
[0009]本发明的实质是采用PIN 二极管开关的通断控制天线的结构。当每条寄生贴片上的两个PIN 二极管导通时，则该寄生贴片的三部分形成一个整体，其长度大于位于天线中间的振子贴片长度，对辐射电磁波起到反射的作用；当每条寄生贴片上的两个PIN 二极管截止时，则该寄生贴片的三部分不能形成一个整体，其每部分的长度都小于中间的振子贴片长度，对辐射电磁波起到引向的作用。通过PIN 二极管开关的通断来改变天线寄生贴片的相对长度，进而改变天线的辐射波束指向，此天线可以在天线的H面内的八个方向实现波束切换，即该天线具有八种辐射波束。
[0010]本发明和现有技术相比，其效果是积极的和明显的。通过控制开关通断实现8个波束辐射方向，实现了竖直平面内的全向扫描，并且将天线的扫描维度由天线所在的平面拓展至与天线垂直的平面，在两种不同的工作频段下分为粗扫细扫两种扫描方式，扩大了天线的应用范围，能够满足不同环境的需求。该天线的直流偏置电路设计简单，天线结构紧凑，具有很好的应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为【背景技术】一种具有频率和波束可重构特性的圆形天线的正面结构图；
[0012]图2为本发明实施例的正面结构示意图；
[0013]图3为本发明实施例的反面结构示意图；
[0014]图4为本发明实施例的侧面结构示意图；
[0015]图5为本发明实施例的仿真回波损耗；
[0016]其中图5 (a)是天线工作在模式I时的仿真回波损耗，图5 (b)是天线工作在模式2时的仿真回波损耗，图5 (c)是天线工作在模式3时的仿真回波损耗，图5 Cd)是天线工作在模式4时的仿真回波损耗，图5 (e)是天线工作在模式5时的仿真回波损耗，图5 Cf)是天线工作在模式6时的仿真回波损耗，图5 (g)是天线工作在模式7时的仿真回波损耗，图5 (h)是天线工作在模式8时的仿真回波损耗；
[0017]图6为本发明实施例天线模式一的E面方向图；
[0018]其中图6 (a)是天线5.3GHz时的E面方向图，其中图6 (b)是天线4.6GHz时的E面方向图；
[0019]图7为本发明实施例天线在5.3GHz时的H面方向图；
[0020]其中图7 (a)是天线工作在模式I时的H面方向图，图7 (b)是天线工作在模式2时的H面方向图，图7 (c)是天线工作在模式3时的H面方向图，图7 (d)是天线工作在模式4时的H面方向图，图7 (e)是天线工作在模式5时z的H面方向图，图7 (f)是天线工作在模式6时的H面方向图，图7 (g)是天线工作在模式8时的H面方向图；
[0021]图8为本发明实施例天线在4.6GHz时的H面方向图；
[0022]其中图8 (a)是天线工作在模式I时的H面方向图，图8 (b)是天线工作在模式3时的H面方向图，图8 (c)是天线工作在模式5时的H面方向图，图8 (d)是天线工作在模式7时的H面方向图。
[0023]图中:1.延长段，2.第二高阻抗线，3.PIN二极管，4.第一高阻抗线，5.电感，6.寄生贴片主体，7.中层绝缘基板，8.表层绝缘基板，9.金属通孔，10.贴片振子，11.金属接地板，12.金属贴片，13.同轴馈线。
【具体实施方式】
[0024]本发明以扫 描方式I的频段为5.2-5.4G，扫描方式2的频段为4.4-4.8G的实施例加以说明。
[0025]天线的结构如图2-图4所示，包括:带馈电输入口的矩形中层绝缘基板7及设于其上表面的贴片振子10、设于其下表面的金属接地板11，紧贴于中层绝缘基板7上下表面的四块矩形表层绝缘基板8及设于其表面的寄生贴片、PIN 二极管开关3、控制开关的偏置电路。贴片振子10、寄生贴片、金属接地板11、第一高阻抗线4、第二高阻抗线2及金属贴片12均为厚度为0.07mm的铜箔；中层绝缘基板7、表层绝缘基板8相对介电常数均为2.2、厚度均为1mm，中层绝缘基板7的尺寸为40X30mm2。同一平面的表层绝缘基板之间的距离为6mm ;同轴馈线13的特性阻抗为50 Ω ;金属通孔9直径为0.5mm，距离天线中心点的距离为4mm ;同一平面寄生贴片之间的距离为8mm ;金属贴片振子10的尺寸为26X2mm2 ;地板11的尺寸为10 X 6mm2 ;寄生贴片主体6的尺寸为20 X 2mm2，延长段I的尺寸为5 X 2mm2，寄生贴片主体6和延长段I之间的间隙为1mm ;金属贴片12的尺寸均为I X Imm2 ;第一高阻抗线4的尺寸为IOX 0.4mm2 ;第二高阻抗线2的尺寸为2X0.4mm2 ；电感的值为L=ImH ；PIN 二极管3的正极连接寄生贴片主体，负极连接延长段。
[0026]将3V的直流电源的正极连接在第一高阻抗线末端的焊盘上，负极连接在第二高阻抗线末端的焊盘上，利用直流电源分别控制8只二极管的通断，实现天线在8种模式下的工作。每条寄生贴片的两个二极管同时通断，方能达到设计的功能。将右边上层介质基板上表面的二极管、左边上层介质基板上表面的二极管、左边下层介质基板下表面的二极管和右边下层介质基板下表面的二极管分别编号为3-1、3-2、3-3和3-4，则二极管的通断状态与天线模式的对应关系如下表所示，表中On表示开关导通，Off表示开关截止。
[0027]
【权利要求】
1.一种小型化垂直于天线平面的H面全向扫描波束可切换天线，包括带馈电输入口的矩形中层绝缘基板及设于其上表面的贴片振子、设于其下表面的金属接地板，紧贴于中层绝缘基板上、下表面的四块矩形表层绝缘基板及设于其表面的寄生贴片、PIN 二极管开关、控制开关的偏置电路，其特征在于所述四块矩形表层绝缘基板的一长边、两窄边与中层绝缘基板的边相重合，同一平面的两表层绝缘基板相互平行且中间有空隙；所述贴片振子通过一金属通孔与接地板连通；所述寄生贴片由寄生贴片主体及其两端的延长段组成，延长段通过PIN 二极管开关与寄生贴片主体连接；所述金属接地板为长方形接地板，其几何中心与中层绝缘基板的中心重合，金属接地板连接同轴馈线外导体，内导体穿过绝缘基板与贴片振子连接。
2.如权利要求1所述的小型化垂直于天线平面的H面全向扫描波束可切换天线，其特征在于所述偏置电路包括电感、第一高阻抗线、第二高阻抗线，所述电感一端连接在寄生贴片主体的中间位置，另一端通过金属贴片焊盘连接第一高阻抗线，此第一高阻抗线通过金属贴片焊盘连接直流控制电源的正极，第一高阻抗线的长度为λ/4土 λ/16 ;两延长段各连接一长度相同的第二高阻抗线，此第二高阻抗线通过金属贴片焊盘连接直流控制电源的负极。
3.如权利要求1所述的小型化垂直于天线平面的H面全向扫描波束可切换天线，其特征在于所述贴片振子、寄生贴片、金属接地板、第一高阻抗线、第二高阻抗线及金属贴片刻蚀或印刷于绝缘基板。
【文档编号】H01Q9/04GK103794879SQ201410031281
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2014年1月23日
【发明者】王任, 王秉中, 丁霄 申请人:电子科技大学