一种同时多路耦合馈电的宽带多线/圆极化可重构天线

本发明涉及天线，特别涉及一种同时多路耦合馈电的宽带多线/圆极化可重构天线及设计方法。

背景技术：

1、随着现代通信技术的快速发展，无线通信系统中设备数量急剧上升，无线信道变得越发复杂，具备极化可重构功能的天线也因此在通信系统中也受到了越来越多的关注。传统固定线极化方式的天线无法接收与其极化方式垂直的电磁波，而使用圆极化天线接收任意极化方式的线极化来波时可能存在至少50％的能量损耗。极化可重构天线在一个天线一个射频通道的基础上实现较多极化方向，若其在实现圆极化状态的同时实现尽可能多的线极化状态，则接收任意圆极化以及任意线极化来波时其降低极化失配损耗等能力更为凸显。

2、从目前已发表的文献和已公开的专利来看，线极化及圆极化可重构天线的研究多为实现左旋或右旋圆极化的同时实现水平极化或垂直极化。对于能够实现圆极化的多极化可重构天线单元，其线极化数目一般不超过三个，且工作频带较窄。当前对于多线/圆极化可重构天线领域有待展开进一步研究。

3、中国发明专利(cn110783701a)提出了一种集成可调移相功分器的圆极化可重构天线，设计可调移相功分器形成所需的馈电相位差，在同一天线口径下实现了左旋圆极化和右旋圆极化特性，产生不同的圆极化状态时，只需改变可调移相功分器中射频开关的通断状态，切换速度快、插入损耗小并且控制简单，但天线仅能于2.35ghz～2.58ghz，且无法实现线极化。

4、中国发明专利(cn109004349a)提出了一种l型探针馈电的宽带多线极化可重构贴片天线及设计方法，能够实现8个线极化状态，但其引入金属腔体且l型探针数目较多，探针互耦作用强，每个状态对应仅激励一根l型探针，利用率低下，天线结构复杂且无法额外实现圆极化，线极化带宽仅有17％。

5、中国发明专利(cn114976670a)提出了一种便携天线线极化圆极化切换机构及方法，将圆极化器的顶部与天馈连接件转动连接，将圆极化器的底部与转动件转动连接，并在转动件底部固定连接正交模耦合器、第一高频头和第二高频头，从而能够使得天线极化传动线极化±90°旋转，满足垂直极化和水平极化的切换，并且能够同时满足圆极化左旋右旋的切换。但天线在实现圆极化的基础上仅能实现垂直极化与水平极化两种线极化状态。

6、huy hung tran等人在文献“wideband and multipolarization reconfigurablecrossed bowtie dipole antenna,in ieee transactions on antennas andpropagation,vol.65,no.12,pp.6968-6975,dec.2017,doi:10.1109/tap.2017.2766439”中提出了一种基于弓形交叉偶极子结构的宽带多极化可重构天线。通过控制从馈电同轴线到每个偶极子臂的电流路径以及这些臂之间的电流路径，天线可以实现0°、45°、90°线极化以及左旋圆极化和右旋圆极化，相对带宽达到37.1％。但天线能够实现的线极化数目仍较少，无法适应复杂的通信环境。

7、综上所述，目前尚未有天线同时满足实现多于6种线极化以及圆极化状态同时工作频带较宽。

技术实现思路

1、为了克服上述背景技术中现有技术存在的不足，本发明提供了一种同时多路耦合馈电的宽带多线/圆极化可重构天线及设计方法，该天线可在频段内实现12种线极化及两种圆极化可调，且带宽较宽，增益稳定。

2、为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种同时多路耦合馈电的宽带多线/圆极化可重构天线，其特征在于，包括上层介质基板、辐射贴片、中层介质基板、12条耦合贴片、12根耦合探针、下层介质基板、中心圆形贴片、12个射频pin二极管、11条相同的馈电贴片、1条弯折多次的每段宽度不同的馈电贴片、12个射频电感、12个直流焊盘、金属地板、同轴线、12根直流金属柱、3组尼龙柱；所述上层介质基板上表面刻蚀辐射贴片；所述中层介质基板上表面刻蚀12条耦合贴片；所述下层介质基板上表面刻蚀中心圆形贴片、11条相同的馈电贴片、1条弯折多次的每段宽度不同的馈电贴片以及12个直流焊盘；所述下层介质基板下表面刻蚀金属地板；所述可重构的耦合馈电网络包括中层介质基板上的12条耦合贴片、下层介质基板上的中心圆形贴片、12个射频pin二极管、11条相同的馈电贴片、1条弯折多次的每段宽度不同的馈电贴片、12个射频电感、12个直流焊盘、以及位于中层介质基板和下层介质基板之间的12根耦合探针和位于下层介质基板下方的12根直流金属柱，每路耦合馈电通道由一条耦合贴片、一根耦合探针以及一条馈电贴片组合而成；所述同时多路耦合馈电的宽带多线极化以及圆极化的重构通过12个射频pin二极管的通断控制中心圆形贴片与不同耦合馈电通道的导通状态实现，同时导通不同朝向的三路相邻相同的耦合馈电通道实现线极化状态ⅰ，即0°、30°、60°、90°、120°、150°线极化，同时导通不同朝向的四路相邻相同的耦合馈电通道实现线极化状态ⅱ，即15°、45°、75°、105°、135°、165°线极化，同时导通正交且相位差为90°的两路耦合馈电通道实现左旋圆极化或右旋圆极化。

3、优选的，所述上层介质基板、中层介质基板、下层介质基板以及辐射贴片轮廓为圆形、正方形、正六边形或正十二边形等；所述上层介质基板、中层介质基板、下层介质基板以及辐射贴片中心位于同一条竖直线上。

4、优选的，所述12条耦合贴片形状完全一致，并以z轴为中心等角度间隔排布，间隔角为30°，耦合贴片由矩形、扇形以及圆形组合而成，亦可调整各部分大小及相对位置，或将耦合贴片设计为渐变型。

5、优选的，所述中心圆形贴片的边缘等角度焊接12个射频pin二极管的阴极，12个射频pin二极管的阳极焊接于12条以z轴为中心等角度间隔分布的馈电贴片，馈电贴片分为11条相同的馈电贴片和1条弯折多次的每段宽度不同的馈电贴片。

6、优选的，所述11条相同的馈电贴片由矩形和圆形组合而成，亦可调整各部分大小，或将馈电贴片设计为渐变型。

7、优选的，所述1条弯折多次的每段宽度不同的馈电贴片由多段矩形、多段三角形以及末端圆形组成，每段矩形长度及宽度各不相同，每个三角形用以连接相邻的两段矩形，亦可调整馈电贴片的弯折次数及其与相邻馈电贴片的相对距离。

8、优选的，所述11条相同的馈电贴片及1条弯折多次的每段宽度不同的馈电贴片与12条耦合贴片在旋转角度上一一对应，11条相同的馈电贴片和1条弯折多次的每段宽度不同的馈电贴片末端均与对应的耦合探针垂直焊接紧密，所述12条耦合贴片与12根耦合探针另一端垂直焊接紧密，所述中层介质基板和下层介质基板在相同位置均设计有金属化通孔，金属化通孔直径略大于12根耦合探针，确保12根耦合探针垂直穿过两层基板并焊接紧密。

9、优选的，所述下层介质基板上表面外围以z轴为中心等角度间隔刻蚀12个直流焊盘，12个直流焊盘与11条相同的馈电贴片及1条弯折多次的每段宽度不同的馈电贴片在旋转角度上一一对应，通过12个射频电感连接11条相同的馈电贴片和1条弯折多次的每段宽度不同的馈电贴片末端，亦可调整12个直流焊盘的形状及大小，下层介质基板在12个直流焊盘中心位置均设计有金属化通孔，金属化通孔直径略大于所述12根直流金属柱直径，确保12根直流金属柱垂直穿过下层介质基板并与12个直流焊盘一一对应焊接。

10、优选的，所述下层介质基板中心设计有直径略大于同轴线内芯直径的金属化通孔，确保同轴线内芯穿过下层介质基板与中心圆形贴片焊接紧密，同轴线外皮直接与金属地板焊接紧密。

11、优选的，所述金属地板与下层介质基板直径完全相同，且金属地板在金属化通孔位置均有隔离环设计，隔离环直径略大于金属化通孔，且直接裸露介质基板，避免12根耦合探针、12根直流金属柱以及同轴线内芯与金属地板接触。

12、优选的，所述3组尼龙柱连接并支撑上层介质基板、中层介质基板、下层介质基板，保持其相对高度。

13、优选的，所述同轴线内芯馈入的信号为射频信号及0v直流信号，12根直流金属柱在金属地板下方各自连接直流正电信号或空置。

14、优选的，每路耦合馈电通道由一条耦合贴片、一根耦合探针以及一条馈电贴片组合而成，馈电通道导通时辐射贴片与垂直部分的耦合探针及水平部分的耦合贴片产生感抗和容抗进而产生谐振，亦可改变耦合馈电结构的数量和角度，实现不同的带宽以及极化状态。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

16、1.该天线通过设计弯折馈电贴片，在不同馈电线路间引入90°相位差。在导通弯折馈电贴片的同时导通与其正交的两根矩形馈电贴片之一，相应的即可实现左旋圆极化和右旋圆极化，弯折馈电贴片每段不同宽度的设计可进一步实现天线在较宽工作频带上的圆极化。

17、2.控制馈电通道数量实现不同线极化状态，有效提高通道利用率。该天线通过同时导通相邻相同的3路馈电通道实现线极化状态ⅰ，包括6种不同方向的线极化，同时导通相邻相同的4路馈电通道实现线极化状态ⅱ，包括6种不同方向的线极化，共计12种线极化，且对于天线结构，除1条弯折馈电贴片外，其余结构完全旋转对称，因此同状态不同方向的线极化辐射特性基本一致。

18、3.该天线通过控制射频pin二极管的通断实现对馈电通道的控制，二极管的高阻抗状态保证了不同馈电通道的隔离度，弯折馈电贴片馈电通道两侧的两路通道并不参与线极化的实现，其隔离作用能够降低圆极化馈电通道对线极化工作状态的影响，同时保证线极化辐射方向图的稳定。

19、4.该天线的耦合贴片设计在矩形的基础上引入扇形及圆形，极大拓宽了圆极化轴比带宽，同时保证了线极化良好的辐射特性。