一种单层共面波导馈电的双频双圆极化可重构微带天线的制作方法

本发明属于无源器件中可重构天线研究技术领域，特别涉及一款可以在两个频带上分别实现左旋和右旋圆极化重构的单层微带天线，该天线由共面波导(cpw)馈电。

背景技术：

可重构微带天线是当前天线小型化和智能化发展的一个重要方向，由于其在频率切换的灵活性以及极化的多样性上有很大的优势，使其广泛应用于频谱复用领域。可重构天线可以成倍地提高系统通信容量，同时有效解决天线系统内的电磁干扰，提高天线效率。可重构天线要求同一个天线单元可以实现频率、极化或者辐射方向图中的某一个或多个特性上实现重构，同时还能够保证其他特性满足设计要求。

近期，国内外学者对可重构天线做了很多前沿的研究，例如2003年加州大学yahyarahmat-samii和fanyang^[1]提出了一种圆极化重构微带缝隙天线，通过在矩形贴片对称位置开槽实现圆极化重构，同时用同轴线在矩形贴片对角线上通过同轴线馈电。该天线可以在4.4ghz-4.8ghz频率范围内实现左旋和右旋极化重构。同年，matthiask.fries和rüdigervahldieck^[2]等提出了一种基于多层结构微带馈电的极化重构天线，该天线可以在2.25ghz-2.45ghz频带内实现线极化和左右旋圆极化重构，可广泛用于无线通信领域。2012年12月，yushao和zhangyouchen^[3]提出了一款共面波导单馈的双频双圆极化重构单层微带天线，该天线通过在地板上分别开环形和十字形槽分别实现了2.45ghz和5.75ghz高低两个频率的圆极化重构。该天线也为单层结构，但采用微带馈电，阻抗带宽和轴比带宽均较窄，同时双缝隙的结构无法保证其具有良好的辐射方向图。

技术实现要素：

针对以上双频双圆极化可重构天线的不足，本发明的发明目的在于提供一种单层共面波导馈电的双频双圆极化可重构微带天线，能够同时实现频率和圆极化重构的天线单元结构以及满足两个频带天线工作的馈电结构，同时保证了天线具有较好的辐射方向图。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种单层共面波导馈电的双频双圆极化可重构微带天线，包含单层介质板，以及附着在单层介质板的上表面的cpw馈电结构、产生低频圆极化的两个轴对称的t形枝节和产生高频圆极化的两对旋转对称的倒梯形枝节。

cpw馈电结构包含从上至下的单极子天线、第二段微带线和第一段微带线，

所述第二段微带线和第一段微带线为上窄下宽、上短下长。

优选地，t形枝节通过pin开关附着在单层介质板上。

优选地，倒梯形枝节通过pin开关附着在单层介质板上。

优选地，单层介质板的材料为介电常数为2.65的聚四氟乙烯。

本发明的有益效果在于：

(1)由于采用了单层介质板、cpw馈电、印刷电路板的形式，所以微带天线保持较小电尺寸(0.33λl×0.4λl，其中λl为微带天线最低谐振频点对应的波长)，实现微带天线小型化的效果；

(2)在cpw馈线处采用了两级微带线作阻抗变换，所以可以得到较宽带的阻抗带宽：低频700mhz(2.7ghz-3.4ghz)，高频900mhz(3.6ghz-4.5ghz)，达到扩宽微带天线带宽的作用；

(3)在实现低频圆极化时引入了轴对称的t形枝节，实现了微带天线在低频带的圆极化，左右旋3db轴比带宽达到1.1ghz(2.6ghz-3.7ghz)。

(4)在实现高频圆极化时引入了中心对称的倒梯形枝节，实现了微带天线在高频带的圆极化，左右旋3db轴比带宽达到200mhz(3.74ghz-3.94ghz)。

(5)本微带天线具有稳定的双向辐射方向图，呈与单极子天线方向图相似的对称“8”字形，向两端的辐射增益达到3db左右。

(6)辐射贴片采用单面印刷结构，介质基板为介电常数为2.65的聚四氟乙烯，这种材料是作为pcb板最常见的板材，价格低廉，易于购买。所以，本微带天线制作成本低，易于加工，可批量成产，具有较大的实际应用价值。

附图说明

图1为实施例中所述微带天线的结构示意图，图中标号为：1--cpw馈电接口；2--第一段微带线；3--第二段微带线；4--单极子天线；5--实现低频左旋的t形枝节；6--实现低频右旋的t形枝节；7--实现高频左旋的一对倒梯形枝节；8--实现高频右旋的一对倒梯形枝节；11--地板，地板中间为圆形开槽；12--单层介质板；13--pin开关连接点，通过该连接点控制各个枝节的接入情况。

图2为实施例中微带天线各部分尺寸详细介绍图；

图3为实施例中微带天线低频左旋圆极化时的仿真回波损耗图；

图4为实施例中微带天线在低频左旋圆极化时的轴比带宽仿真结果图；

图5为实施例中微带天线在天线高频左旋圆极化时的仿真回波损耗图；

图6为实施例中微带天线在天线在高频左旋圆极化时的轴比带宽仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例所描述的一种单层共面波导馈电的双频双圆极化可重构微带天线由四个部分组成：单层介质板12，cpw馈电结构，产生低频圆极化的两个轴对称的t形枝节，产生高频圆极化的两对旋转对称的倒梯形枝节。各结构尺数参数参见图2和表1。

表1

(1)单层介质板12：该部分作为整个微带天线的介质基板，其他所有的微带天线结构都以印刷电路板的形式附着在介质基板的上表面，该单层介质板的介电常数为2.65、厚度为0.8mm。

(2)cpw馈电结构：该部分主要由共面波导中两段上窄下宽、上短下长的微带线串联构成。由于sma接头的阻抗为50欧姆，为了实现阻抗匹配，同时满足在高低两个频点工作的阻抗带宽要求，将cpw馈线分为两段，第一段微带线2的下端作为cpw馈电接口1与sma接头相连，第二段微带线3用作阻抗变换器。第二段微带线3的上端接的单极子天线4决定了微带天线的工作频带。其中，第一段微带线2的长度为5.5mm，第一段微带线2的宽度为2.8mm，第二段微带线2的长度为5mm，第二段微带线2的宽度为1.2mm，作为辐射单元的单极子天线的长度为在12.6mm，其决定了天线的工作频带为2.7ghz-3.5ghz。

(3)低频部分产生左右旋极化的轴对称的t形枝节：t形枝节的横向长度决定了圆极化轴比谷点的位置，t形枝节的纵向枝节长度决定了轴比带宽的宽度。同时，需要保证轴比带宽和阻抗带宽相对应。由于t形枝节在天线工作时，单极子天线的电流会感应到t形枝节上，从而形成正交的简并模，产生圆极化。t形枝节通过pin开关13实现接入，当实现低频左旋的t形枝节5接入时，产生左旋圆极化。相应地，实现低频右旋的t形枝节6接入时，产生右旋圆极化。当两个t形枝节同时接入时，天线的谐振频点会向高频偏移，从而实现频率重构，同时，t形枝节的引入并没有破坏天线分辐射方向图，仍为对称的“8”字形辐射，增益达到3db左右。设计低频圆极化时，还需要考虑到天线尺寸的限制，为高频圆极化的实现留有足够的空间，t形枝节伸入天线的横向长度为12.5mm、t形枝节的纵向长度为9.6mm。

(4)高频部分产生左右旋极化的旋转对称的倒梯形枝节：由于高低频圆极化枝节错开放置，所以高频枝节不能伸入天线内部太长，否则会对低频圆极化有干扰，同时影响天线的辐射方向图。为了满足天线的阻抗匹配和实现圆极化，通过观察贴片表面电流，将枝节设计成倒梯形，形成容性阻抗，同时激发高频简并模。倒梯形枝节通过四个pin开关13实现接入，当实现高频左旋的一对倒梯形枝节7接入、实现高频右旋的一对倒梯形枝节8断开时，实现左旋圆极化，反之为右旋圆极化。倒梯形枝节的长边长度为7mm，短边长度为2.4mm，以及梯形的高为6mm。较小的梯形高度可以有效减少高频枝节深入天线内部时对天线方向图的影响，同时倒梯形枝节形成的容性阻抗，可以实现天线在高频处更好的阻抗匹配，拓宽阻抗和轴比带宽。

这款双频双圆极化天线主要的技术特征就是使用单层单馈微带天线，分别实现了2.7-3.5ghz和3.7-3.9ghz高低频带的左右旋圆极化重构，低频实用带宽(阻抗带宽和轴比带宽最小值)达到800mhz(27％)，高频达到200mhz(5％)。同时，辐射贴片和馈电结构都是平面印刷结构，便于加工，结构简单。

使用矢量网络测试仪对微带天线实物进行测试，图3为低频左旋圆极化时的回波损耗图，图5为高频左旋圆极化时的回波损耗图。在微波暗室中，测试天线的远场辐射方向图以及轴比带宽，图4为在低频左旋圆极化时的轴比带宽图；图6为在高频左旋圆极化时的轴比带宽图。通过测试证明，本实施例可以实施。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

参考文献

[1]f.yangandy.rahmat-samii,“areconfigurablepatchantennausingswitchableslotsforcircularpolarizationdiversity,”ieeemicrow.wirelesscomp.lett.,vol.12,no.3,pp.96–98,mar.2002..

[2]m.k.fries,m.andr.vahldieck,“areconfigurableslotantennawithswitchablepolarization,”ieeemicrow.wirelesscompon.lett.,vol.13,no.11,pp.490–492,nov.2003

[3]b.kim,b.pan,s.nikolaou,y.kim,j.papapolymerouandm.m.tentzeris"anovelsingle-feedcircularmicrostripantennawithreconfigurablepolarizationcapability",ieeetrans.antennaspropag.,vol.56,no.3,pp.630-6382008。