一种多频左右旋圆极化可重构天线的制作方法

本发明涉及无线通信的天线技术领域，具体涉及一种多频左右旋圆极化可重构天线。

背景技术：

天线是电子系统与外部空间进行信息交换的装置，它是无线通信系统中至关重要且不可缺少的部分。随着科学技术和社会的不断发展，对天线的性能要求也越来越高，在现代的无线应用系统中，单纯的线极化天线已很难满足人们的需求，圆极化天线越来越受到更为广泛的关注。而多频圆极化天线更是因为其特殊的性能，广泛应用于通讯、遥感遥测、雷达、电子侦察与电子干扰等多功能系统中。常见的多频圆极化天线一般为双频，三频以及四频圆极化天线报道较少，更多频带的圆极化天线鲜有公开报道。现有双频及多频圆极化天线的工作频段通常间隔较大且圆极化旋向通常相同，从而降低电子系统的抗干扰等性能。

文献“dual-bandanddual-circularlypolarizedsingle-layermicrostriparraybasedonmultiresonantmodes(jin-dongzhang；leizhu；neng-wuliu；wenwu,ieeetransactionsonantennas&propagation,2017,65(3):1428-1433)”中提出了一种双频双圆极化微带天线阵列，通过在微带贴片天线单元的边缘加载4条枝节实现圆极化，该天线分别在2.53ghz和3.59ghz实现了左旋圆极化和右旋圆极化。该方法虽然结构简单，但两个工作频带间隔较大，且进一步拓展工作频带困难。

文献“dual-bandanddual-circularlypolarizedshared-aperturearrayantennaswithsingle-layersubstrate(jin-dongzhang；wenwu；da-gangfang,ieeetransactionsonantennas&propagation,2016,64(1):109-116)”中提出了一种窄带双频双圆极化天线(12.17ghz为右旋圆极化和17.5ghz为左旋圆极化)和宽带双频双圆极化天线(12.1ghz为右旋圆极化和17.4ghz为左旋圆极化)的设计方法。其中窄带双频双圆极化天线通过对两种不同尺寸的开槽辐射贴片进行组阵的方式实现双频双圆极化。宽带双频双圆极化通过顺序旋转相位技术拓展带宽。这两种天线的结构和设计复杂，且两个频带间隔较大，进一步拓展工作频带也困难。

文献“dual-bandcpantennawithadual-ringcavityforenhancedbeamwidth(shao-lizuo；longyang；zhi-yazhang,ieeeantennasandwirelesspropagationletters,2015,14:867-870)”中采用对双层圆锥贴片分别进行90度正交馈电的方式实现双频圆极化，同时通过引入双环腔体来提高天线的工作带宽。虽然该双频圆极化天线缩小了工作频带的间距(中心工作频率分别为1.268ghz和1.561ghz)，但没有实现不同工作频段上圆极化旋向的变化。

中国发明专利“双频圆极化天线(cn102931476b,2015,2015.02.11)”提出的双频圆极化天线采用单馈方式，通过激励两个谐振频率不同的双层辐射贴片使天线工作在1.575ghz和2.35ghz，并且在低频段实现右旋圆极化，而在高频段为左旋圆极化。虽然该天线实现了在两个频带上圆极化旋向的交替，但两个频带的间隔较大且采用多层结构，较为复杂。

文献“tri-bandmicrostrip-fedmonopoleantennawithdual-polarisationcharacteristicsforwlanandwimaxapplications(tingwu；xiao-weishi；pingli；haobai，electronicsletters,2013,49(25):1597-1598)”中提出了一种具有双极化特性的新型紧凑型三频带微带馈电单极子天线。天线由地和两个不等的单极臂以及改进的圆形单极子组成的y形辐射贴片组成，工作在wlan(2.4ghz-2.484ghz和5.8ghz)和wimax(3.4ghz-3.7ghz)等三个频段。尽管此天线在两个wlan频段都是圆极化，但其圆极化旋向相同，且在3.4ghz-3.7ghz频段为线极化。

文献“triplebandcircularlypolarizedprintedcrosseddipoleantennaemployinginterdigitalcapacitors(adityasingh；debdeepsarkar；kushmandasaurav；kumarvaibhavsrivastava，ieeeupsectionconferenceonelectricalcomputerandelectronics，2016:1-5)”中提出了一种三频圆极化印刷交叉偶极子天线，通过镂空的四分之一波长印刷环馈送具有90°相位差的正交偶极臂来实现天线的圆极化。该天线可工作在1.37ghz-1.45ghz、1.53ghz-2.00ghz和2.04ghz-2.21ghz三个频带上，但三个频带都是同一旋向的右旋圆极化。

从目前已有的报道看来，可重构圆极化天线一般通过引入变容二极管或pin开关管等来改变馈电网络或天线本身的特性，进而实现左右旋圆极化的变化，但这类天线往往工作在单频上，尽管也有实现多频圆极化工作的案例，但其设计一般较为复杂，且频带间隔较大。因此，如何设计结构简单、既能在紧邻的频带上工作，又能实现左右旋圆极化依次交替的可重构天线，是微波工程中富有挑战性的重要课题。

技术实现要素：

本发明拟解决的技术问题是，提出一种结构简单的多频左右旋圆极化可重构天线，该圆极化天线能在多个紧邻的频带内实现左右旋圆极化依次交替工作。

围绕拟解决的技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种多频左右旋圆极化可重构天线，其结构如图1所示，包括一分二功分器1、±90度移相传输线2以及双端口正交馈电的圆极化天线3；所述一分二功分器为等功分；±90度移相传输线包括两条长度不同的传输线，分别记为长传输线和短传输线，短传输线为第一短传输线和第二短传输线的串联，其中在第一短传输线和第二短传输线间并联加载有长度相同的开路枝节和短路枝节，且开路枝节与短路枝节的长度之和等于长传输线长度与两条短传输线的长度之和的差；长传输线与短传输线的一端分别与一分二功分器1的两个输出端相连；所述一分二功分器与±90度移相传输线构成所述多频左右旋圆极化可重构天线的馈电网络；长传输线与短传输线远离所述一分二功分器的一端即为所述馈电网络的输出端，且二者分别与所述圆极化天线3的两个端口连接。

进一步的，所述长传输线、短传输线、开路枝节、短路枝节的特性阻抗均相同。

进一步的，所述一分二功分器为wilkinson功分器，其四分之一波长传输线可采用耦合结构。

本发明还提供一种实现所述的多频左右旋圆极化可重构天线馈电网络的设计方法，包括以下步骤：

步骤a：确定多频圆极化天线各工作频带的n个中心频率，由小至大依次记为f1、f2、f3……fn，其中相邻中心频率之差均相等，即

fn-fn-1＝fn-1-fn-2＝......＝f2-f1(1)

记多频圆极化天线的整体中心频率为f0＝(f1+f2+f3+……fn)/n；

步骤b：以步骤a中确定的整体中心频率f0为工作频率设计所述一分二功分器；

步骤c：确定±90度移相传输线的参数，包括长传输线、短传输线以及开路枝节和短路枝节的工作频率、特性阻抗和电长度；长传输线、短传输线以及开路枝节和短路枝节的特性阻抗均为z0＝50欧；记开路枝节与短路枝节的电长度均为θ，电长度θ与其相应的工作频率f之间满足：

其中，k为：

长传输线与短传输线的电长度之差为θd，满足如下关系：θd＝2θ；

步骤d：进一步，将所设计的一分二功分器与±90度移相传输线依次级联，从而构成所述多频左右旋圆极化可重构天线的馈电网络。

进一步的，电长度θ为90度，即π/2。

经上述设计后，整个馈电网络的特性为：在fi(i＝2,3,4,…,n-1)频率附近，馈电网络两输出端口间的相位差为±90度，相邻频带上的相位差相反(即fn处相位差为+90度，则fn-1处及fn+1处相位差为-90度)，且幅值不平衡度小于0.5db。因此，在馈电网络上接入双端口正交馈电圆极化天线后，即可实现多频左右旋圆极化可重构的功能。

本发明的优点在于：本发明提供了一种多频左右旋圆极化可重构天线，该天线能在多个紧邻的频带上实现左右旋圆极化依次交替工作，其相邻频带的中心频率比fn+1:fn可以控制在1.1以内。进一步地，通过引入开关切换，可以使天线在紧邻的多个频带上实现左右旋圆极化的可重构。相比于其他可重构圆极化天线，本发明所述结构简单，多频带且紧邻。基于本发明所提的技术方案与实现结构，能有效提高多功能通信系统的抗干扰能力。

附图说明

图1本发明提供的多频左右旋圆极化可重构天线的原理图。

图2本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线馈电网络结构图。

图3本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线馈电网络的传输特性。

图4本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线馈电网络两个输出端口之间的相位差。

图5本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线的结构图。

图6本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线的回波损耗特性。

图7本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线的轴比性能。

图8本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线在0.55ghz的增益方向图(右旋圆极化)。

图9本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线在0.65ghz的增益方向图(左旋圆极化)。

图10本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线在0.75ghz的增益方向图(右旋圆极化)。

图11本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线在0.85ghz的增益方向图(左旋圆极化)。

图12本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线在0.96ghz的增益方向图(右旋圆极化)。

图13本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线在1.03ghz的增益方向图(左旋圆极化)。

图14本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线在1.14ghz的增益方向图(右旋圆极化)。

具体实施方式

图1为本发明提供的多频左右旋圆极化可重构天线的原理图。包括一分二wilkinson等功分器1、±90度移相传输线2以及双端口正交馈电的圆极化天线3。

本实施例中一分二wilkinson等功分器与±90度移相传输线均采用微带线结构，介质基板厚度为1mm，其相对介电常数εr＝2.65，中心工作频率分别为0.55ghz、0.65ghz、0.75ghz、0.85ghz、0.95ghz、1.05ghz和1.15ghz，计七个。

图2为本发明实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线馈电网络结构图。整个馈电网络包含一分二wilkinson等功分器与±90度移相传输线，端口1为输入端口，端口2和端口3为输出端口。

本实施例中一分二wilkinson等功分器的中心频率为0.85ghz，耦合结构的四分之一波长传输线4的长度为57mm，宽度为2mm，隔离电阻5的阻值为100ω。

依据式(3)，本实施例中k的取值为0.417，同时本实施例中将开路枝节与短路枝节的电长度θ均设定为π/2，再根据式(2)即可得到开路枝节与短路枝节所对应的工作频率f＝100mhz，由此确定±90度移相传输线的最终参数为：长传输线6的长度为1185mm，短传输线7的长度为171mm，开路枝节8的长度为509.3mm，短路枝节9的长度为508.6mm。另外，±90度移相传输线以及一分二wilkinson等功分器输入段传输线的特性阻抗均为50ω，在本实施例中对应的微带线宽度为2.7mm。

图3为本实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线馈电网络的散射参数。由图中可知，经过一分二wilkinson等功分器功率分配后，端口2在0.5ghz至1.2ghz范围内输出的幅值为-3.5db左右，但由于端口3所在的短传输线上并联加载有开路与短路枝节，使其在0.55ghz、0.65ghz、0.75ghz、0.85ghz、0.95ghz、1.05ghz、1.15ghz附近的幅值达到-3.5db，即端口2与端口3在这些频率上实现等功分。另外，在0.55ghz附近s21与s31幅值不平衡度小于0.5db的带宽为10mhz，在0.65ghz附近s21与s31幅值不平衡度小于0.5db的带宽为15mhz，在0.75ghz附近s21与s31幅值不平衡度小于0.5db的带宽为10mhz，在0.85ghz附近s21与s31幅值不平衡度小于0.5db的带宽为20mhz，在0.95ghz附近s21与s31幅值不平衡度小于0.5db的带宽为10mhz，在1.05ghz附近s21与s31幅值不平衡度小于0.5db的带宽为20mhz，在1.15ghz附近s21与s31幅值不平衡度小于0.5db的带宽为15mhz。

图4为本实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线馈电网络端口2与端口3之间相位差。从图中可以看出，在0.55ghz处，两个端口间的相位差为285度(即-75度)，在0.65ghz处，两个端口间的相位差为460度(即100度)，在0.75ghz处，两个端口间的相位差为635度(即-95度)，在0.85ghz处，两个端口间的相位差为812度(即92度)，在0.95ghz处，两个端口间的相位差为991度(即-91度)，在1.05ghz处，两个端口间的相位差为1173(即93)度，在1.15ghz处，两个端口间的相位差为1364度(即-104度)，从而实现馈电网络的输出端口从0.65ghz到1.15ghz范围内的七个邻近频率上，其相位差在-90度和+90度之间的一定带宽内依次交替。

图5为本实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线的结构图。本实施例中采用双端口正交馈电的单极子作为圆极化天线，图中正方形虚线框代表下层金属地板被刻蚀掉的部分。天线中的单极子呈圆弧状，两个单极子尺寸相同且关于正方形虚线框的对角线呈镜像对称放置。需要说明的是：本发明不限于单极子形式的圆极化天线，也可以是微带贴片天线等其他类型的双端口正交馈电的圆极化天线。

图6为本实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线的回波损耗特性。图7为本实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线的轴比性能。从图6、图7知，天线在0.55ghz处的阻抗带宽为70mhz(参照|s11|<-10db，下同)，3-db轴比带宽为20mhz，在0.65ghz处的阻抗带宽为20mhz，3-db轴比带宽为40mhz，在0.75ghz处的阻抗带宽为40mhz，3-db轴比带宽为30mhz，在0.85ghz处的阻抗带宽为50mhz，3-db轴比带宽为20mhz，在0.95ghz处的阻抗带宽为30mhz，3-db轴比带宽为25mhz，在1.05ghz处的阻抗带宽为50mhz，3-db轴比带宽为20mhz，在1.15ghz处的阻抗带宽为80mhz，3-db轴比带宽为20mhz。

图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14分别表示本实施例提供的多频左右旋圆极化可重构天线在0.55ghz的增益方向图(右旋圆极化)、0.65ghz的增益方向图(左旋圆极化)、0.75ghz的增益方向图(右旋圆极化)、0.85ghz的增益方向图(左旋圆极化)、0.96ghz的增益方向图(右旋圆极化)、1.03ghz的增益方向图(左旋圆极化)、1.14ghz的增益方向图(右旋圆极化)。对比几幅图的结果可以看出，在这些频带上，圆极化增益方向图的最大辐射方向相同，但它们的圆极化旋向不同，由此即可说明本实施例可实现工作在0.55ghz、0.65ghz、0.75ghz、0.85ghz、0.96ghz、1.03ghz、1.14ghz等多个紧邻频带，且在这些频带上圆极化旋向依次交替的圆极化天线。进一步，通过开关切换馈电网络的两个输出端口与天线两个端口的连接，即可实现该天线在多个紧邻频带上的左右旋圆极化旋向依次交替切换的可重构功能。

以上所述仅是本发明的实施例，而并非是对本发明所作的限定，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，依据本发明的技术实质所作的任何修改、等同变化及修饰等，仍属于本发明技术方案的保护范围。