线极化与圆极化功能切换的磁电偶极子天线及通信设备

1.本发明涉及射频通信技术领域，更具体地说，它涉及线极化与圆极化功能切换的磁电偶极子天线及通信设备。


背景技术：

2.具有线极化-圆极化功能切换的天线能够适应于更加复杂的通信环境。例如，在无线电识别系统中，当目标标签天线的极化方式未知时，需要识别天线的极化方式为圆极化，当目标标签天线的极化方式已知时，就要求识别天线转换成线极化从而提升传输效率。又例如，不同国家的卫星电视信号的载波极化方式不同(欧洲的卫星电视发射信号的载波为线极化工作方式，美国/加拿大的是圆极化工作方式)
3.目前，大部分的功能切换天线聚焦在带宽可重构、频率可重构、方向图可重构等方面，针对极化可切换天线的设计主要涉及左旋-右旋双圆极化切换、多种线极化方向切换，关于线极化-圆极化功能切换的设计较少，且目前主流的线极化-圆极化功能切换天线主要依赖于两种方式实现：第一，采用极化可重构的超材料透射表面；第二，复杂的相位切换馈电电路。两种方法导致天线的设计复杂度高、结构复杂。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种线极化与圆极化功能切换的磁电偶极子天线及通信设备，该天线圆极化功能的实现方式十分简单，仅需在线极化天线的基础上添加一块微带线。通过引入pin二极管管控制该微带线的闭合与断开状态，即可实现线极化与圆极化功能的切换，解决传统方案中存在的设计复杂度高、结构复杂等问题。
5.本发明的另一个目的在于提供一种射频通信设备。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种线极化与圆极化功能切换的磁电偶极子天线及通信设备，包括：位于底层的底层介质基板、位于顶层的水平金属板、垂直放置的垂直金属板，所述垂直金属板安装于底层介质基板上，所述位于顶层的水平金属板与垂直放置的垂直金属板相连通；
8.所述底层介质基板的上表面印刷带有槽线的金属铜，下表面印刷第一微带线与第二微带线；所述第二微带线与上表面的槽线正交，共同构成天线的缝隙耦合馈电结构；所述第二微带线与输入信号的电缆线测试元件相连接，用于天线的输入端口，所述第二微带线的末端固定连接一个pin二极管用于射频开关，所述第一微带线与第二微带线通过pin二极管连接。
9.作为本发明的较佳实施例，本发明所述底层介质基板为天线的缝隙耦合馈电结构，上表面印刷带有l型槽线的金属铜作为金属地结构，所述第一微带线与第二微带线的形状均呈l型。
10.作为本发明的较佳实施例，本发明所述底层介质基板上有八个贯穿介质基板的金
属化通孔，所述通孔与两个金属贴片相连，所述通孔将底层介质基板上表面的天线金属地结构引至下表面，与外接的电缆线测试元件的外层导体焊接，所述电缆线测试元件的内导体与第二微带线焊接，构成天线的馈电部分。
11.作为本发明的较佳实施例，本发明所述水平金属板数量为四个，四个位于顶层的水平金属板构成一组双极化的电偶极子。
12.作为本发明的较佳实施例，本发明所述垂直金属板底部设置有凸起，垂直金属板的数量为八个，八个所述垂直金属板对应的凸起均匀的安装于底层介质基板上，八个垂直放置的垂直金属板构成一组双极化的磁偶极子。
13.作为本发明的较佳实施例，本发明所述四个位于顶层的水平金属板以及八个垂直放置的垂直金属板共同构成磁电偶极子，作为天线的辐射结构。
14.作为本发明的较佳实施例，本发明所述底层介质基板的下表面有个矩形通孔，所述矩形通孔安装有个垂直放置的垂直金属板，底部的所述凸起穿过矩形通孔固定天线的磁电偶极子辐射结构。
15.作为本发明的较佳实施例，本发明所述四个位于顶层的水平金属板与八个垂直放置的垂直金属板相连通，所述八个垂直放置的垂直金属板与底层介质基板上表面金属地相连通。
16.作为本发明的较佳实施例，本发明所述第一微带线的末端焊接一个pin二极管作为射频开关，开关的开状态和关状态分别对应天线的圆极化及线极化工作状态。
17.本发明还提供一种通信设备，所述通信设备为射频通信设备，包括所述的线极化与圆极化功能切换的磁电偶极子天线的射频通信设备。
18.与现有技术相比，本发明提供了线极化与圆极化功能切换的磁电偶极子天线及通信设备，具备以下有益效果：
19.1、本发明结构简单，仅需在线极化天线的基础上添加一块微带线即可实现圆极化，在该微带线上植入pin开关，即可实现线极化-圆极化天线功能的切换，解决传统方案采取极化切换超材料透射表面或者相位切换馈电电路设计中存在的复杂度高、结构复杂、成本高等问题。
20.2、本发明具有普适性，任何基于缝隙耦合馈电结构的线极化天线均可通过本发明的设计方法实现线极化-圆极化天线功能切换。
21.3、本发明是传统的pcb加工工艺，成本低，天线可靠性强，适合大规模产业化加工。
附图说明
22.图1是本发明实施例的整体结构图；
23.图2是本发明实施例的侧视结构图；
24.图3是本发明实施例的俯视结构图；
25.图4是本发明实施例的仰视结构图；
26.图5是本发明实施例的线极化工作状态的增益曲线及反射系数仿真结果图；
27.图6是本发明实施例的线极化工作状态的2.4ghz处xoz面主极化和交叉极化仿真方向图；
28.图7是本发明实施例的线极化工作状态的2.4ghz处yoz面主极化和交叉极化仿真
方向图；
29.图8是本发明实施例的圆极化工作状态的增益及轴比曲线仿真结果图；
30.图9是本发明实施例的圆极化工作状态的2.4ghz处xoz面左旋(lhcp)和右旋极化(rhcp)仿真方向图；
31.图10是本发明实施例的圆极化工作状态的2.4ghz处yoz面左旋(lhcp)和右旋极化(rhcp)仿真方向图。
32.图中：1、水平金属板；2、垂直金属板；3、槽线；4、第一微带线；5、第二微带线；6、底层介质基板；7、电缆线测试元件；8、凸起；9、通孔；10、金属贴片。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.请参阅图1-4所示，本发明的一种线极化与圆极化功能切换的磁电偶极子天线，包括位于底层的底层介质基板6、位于顶层的水平金属板1、垂直放置的垂直金属板2，所述垂直金属板2安装于底层介质基板6上，所述位于顶层的水平金属板1与垂直放置的垂直金属板2相连通；
36.所述底层介质基板6的上表面印刷带有槽线3的金属铜，下表面印刷第一微带线4与第二微带线5；所述第二微带线5与上表面的槽线3正交，共同构成天线的缝隙耦合馈电结构；所述第二微带线5与输入信号的电缆线测试元件7相连接，用于天线的输入端口，所述第二微带线5的末端固定连接一个pin二极管12用于射频开关，所述第一微带线4与第二微带线5通过pin二极管12连接。
37.其中，如图1所示，本发明提供了一种线极化与圆极化功能切换的磁电偶极子天线，该天线应用于射频通信设备上，其包括四个位于顶层的水平金属板1、八个垂直放置的垂直金属板2，位于底层介质基板6，位于底层介质基板6的上表面印刷带有l型槽线3的金属铜，下表面印刷第一微带线4与l型第二微带线5，l型第二微带线5与输入信号的电缆线测试元件7相连接，作为天线的输入端口。
38.一种可选的实施方式，如图1所示，本发明中所述底层介质基板6为天线的缝隙耦合馈电结构，上表面印刷带有l型槽线3的金属铜作为金属地结构，所述第一微带线4与第二微带线5的形状均呈l型。
39.其中，本发明中底层介质基板6作为天线的缝隙耦合馈电结构，上表面印刷带有l型槽线3的金属铜作为金属地结构，第一微带线4与第二微带线5的形状均呈l型方便与上表面的槽线3正交，此结构简单，设计合理、成本低。
40.一种可选的实施方式，如图3-4所示，本发明中所述底层介质基板6上有八个贯穿介质基板的金属化通孔9，所述通孔9与两个金属贴片10相连，所述通孔9将底层介质基板6上表面的天线金属地结构引至下表面，与外接的电缆线测试元件7的外层导体焊接，所述电
缆线测试元件7的内导体与第二微带线5焊接，构成天线的馈电部分。其中，本发明中通过设置八个金属化通孔9，与两个金属贴片10相连，另外通孔9将底层介质基板6上表面的天线金属地结构引至下表面，与外接的电缆线测试元件7的外层导体焊接，另外，电缆线测试元件7的内导体与第二微带线5焊接，构成天线的馈电部分。
41.一种可选的实施方式，如图1所示，本发明中所述水平金属板1数量为四个，四个位于顶层的水平金属板1构成一组双极化的电偶极子。其中，本发明中通过设置四个位于顶层的水平金属板1，均匀的设置于顶层构成了一组双极化的电偶极子。
42.一种可选的实施方式，如图2所示，本发明中所述垂直金属板2底部设置有凸起8，垂直金属板2的数量为八个，八个所述垂直金属板2对应的凸起8均匀的安装于底层介质基板6上，八个垂直放置的垂直金属板2构成一组双极化的磁偶极子。
43.其中，本发明中通过垂直金属板2底部设置有凸起8，通过凸起8可以将八个垂直金属板2固定安装于底层介质基板6上，八个垂直放置的垂直金属板2构成一组双极化的磁偶极子，此设计结构简单，合理，装拆方便、成本低。
44.一种可选的实施方式，如图4所示，本发明中所述底层介质基板6的下表面有16个矩形通孔11，所述矩形通孔11安装有8个垂直放置的垂直金属板2，底部的所述凸起8穿过矩形通孔11固定天线的磁电偶极子辐射结构。
45.其中，本发明中通过设置16个矩形通孔11，而凸起8贯穿矩形通孔11，此设计结构简单，合理，通过凸起8贯穿矩形通孔11进一步固定天线的磁电偶极子辐射结构。
46.一种可选的实施方式，如图3所示，本发明中所述四个位于顶层的水平金属板1以及八个垂直放置的垂直金属板2共同构成磁电偶极子，作为天线的辐射结构。
47.其中，本发明中四个位于顶层的水平金属板1与八个垂直放置的垂直金属板2直接相连，构成一个完整的金属件，形成磁电偶极子天线辐射部分。
48.一种可选的实施方式，如图1-2所示，本发明中所述四个位于顶层的水平金属板1与八个垂直放置的垂直金属板2相连通，所述八个垂直放置的垂直金属板2与底层介质基板6上表面金属地相连通。其中，本发明中通过设置水平金属板1、垂直金属板2以及底层介质基板6，让三者依次连通。
49.一种可选的实施方式，如图4所示，本发明中所述第一微带线5的末端焊接一个pin二极管12作为射频开关，开关的开状态和关状态分别对应天线的圆极化及线极化工作状态。
50.其中，如图4所示，本发明中在l型第二微带线5上焊接有一个pin二极管12作为控制微带线导通或截止的开关；当pin二极管12两端加正向电压导通时，天线为圆极化工作状态，反之，则为线极化工作状态，此设计复杂度低、结构简单、成本低。
51.一种可选的实施方式，本发明提供的设计方法不局限于l型槽线3以及l型第二微带线5和第一微带线4，本发明中，任何通过在槽线3与微带线缝隙耦合馈电结构上额外增加一块带有pin管的微带线实现线极化与圆极化天线功能切换的设计均在本发明专利的保护范围之内。
52.其中，本发明中个，用户可以根据实际的需要设置槽线3以及第二微带线5和第一微带线4为l型或者其他所需的形状，并且用户可以根据需要在槽线3与微带线缝隙耦合馈电结构上额外增加一块带有pin管的微带线实现线极化与圆极化天线功能切换的设计。
53.本发明还提供一种通信设备，所述通信设备为射频通信设备，包括所述的线极化与圆极化功能切换的磁电偶极子天线的射频通信设备。
54.其中，本发明中，还提供的一种通信设备为射频通信设备，此设备包含所述的线极化与圆极化功能切换的磁电偶极子天线的射频通信设备，此设备结构简单、设计合理、可以配合线极化与圆极化功能切换的磁电偶极子天线工作。
55.如图5所示为天线工作在线极化状态下的仿真结果图，在频段2.1ghz至2.6ghz频段内，天线的反射系数均低于-15db,天线的增益稳定在7.5-8.2dbi之间。
56.如图6-7所示为天线工作在线极化状态下的仿真结果图，天线在2.4ghz的方向图呈现定向辐射，交叉极化比均优于25db，显示出良好的线极化工作状态。
57.如图8所示为天线工作在圆极化状态下的仿真结果图，在频段2.3ghz至2.5ghz频段内，天线的轴比小于3,天线的右旋增益稳定在7.2-8dbic之间。
58.如图9-10所示为天线工作在圆极化状态下的仿真结果图，天线在2.4ghz的方向图呈现定向辐射，此时主极化为右旋圆极化，交叉极化为左旋圆极化，交叉极化比优于15db，显示出良好的圆极化工作状态。
59.本发明结构简单，利用一种创新的线极化与圆极化缝隙耦合馈电结构，解决传统方案采取极化切换超材料透射表面或者相位切换馈电电路设计中存在的复杂度高、结构复杂、成本高等问题。
60.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。