本发明涉及微带贴片天线，尤其是涉及一种方向图波束可重构微带贴片天线。
背景技术：
1、随着人们对无线通信系统性能的要求不断提高，能直接影响其通信能力的天线工作特性被不断地深入研究。无线通信系统的研究也愈发注重功能多样化、结构小型化、频谱利用率高等设计需求，如何让单一天线代替多个天线以满足不同应用场景的需求正成为天线研究的新契机。传统技术将多个子通信系统共同搭建在一个平台上，可以实现天线工作在多种工作模式下，但这会导致增加制作成本、削弱电磁兼容性能、降低频谱资源和空间资源利用率等一系列问题，所以研究者提出了“可重构”的概念。
2、可重构天线不仅克服了传统天线结构和参数固定不变的局限性，还更具有适用性，既提高了抗干扰能力，还能灵活应对多样化设计需求。“可重构”技术的实质是天线利用重新配置的手段，获取天线谐振频率、极化方式和辐射方向图中一种甚至多种特性的重构。常见的可重构方法是通过机械调整或电调的外部控制改变天线的电流分布，如在天线结构合适的位置上加载可变电容、mems开关、mesfet开关、pin二极管等可调器件，通过控制这些可调器件改变天线的物理结构，从而实现天线不同性能的切换。
3、天线的辐射方向图需要根据工作场景的动态变化而切换时，能保持工作频率和极化方式固定不变的方向图波束可重构天线应运而生。除此之外，依据所改变的特性参数唯一、其他辐射特性保持不变的原则，可重构天线还可划分为频率可重构天线和极化可重构天线。与波束扫描能力强的相控阵天线技术相比，方向图波束可重构天线具有性价比高和结构简化的优势，更适合对波束扫描要求不严苛但需要小型化的无线通信系统中。方向图波束可重构天线可改变天线辐射方向、天线增益或者天线波束宽度，具有高辐射效率、灵活的波束控制方法、较少的天线单元数目和较大的波束扫描角的特点，还因为可以避开电子干扰，能增强通信安全，被广泛应用于卫星通信、现代移动通信和雷达等领域。
4、早期的方向图波束可重构天线，如透镜天线、抛物面天线、缝隙波导阵列天线等天线，整体结构复杂、加工成本昂贵、剖面大，逐渐被微带阵列天线所取代。微带阵列天线相对于早期的方向图波束可重构天线，剖面小，成本低，可显著降低方向图波束可重构天线的复杂度和成本，但微带阵列天线中，需要设置天线阵列、单脉冲比较器和馈电网络，面积较大，口径效率不到30％，相对较低，同时其天线阵列、单脉冲比较器和馈电网络置于同一层，会导致馈电网络产生杂散辐射和单脉冲比较器的堵塞，以致损耗增大，增益降低。20世纪末，基片集成波导(siw)结构首次被提出。许多基于基片集成波导的方向图波束可重构天线已被提出。基于基片集成波导的方向图波束可重构天线不需要设置单脉冲比较器，损耗较小，增益较高，剖面小，成本低，整体面积较小，但其馈电结构的面积占比较大，进一步限制了口径效率的提高，口径效率仍不到30％。近年来出现了在单层介质基板上实现的毫米波平面方向图波束可重构天线。毫米波平面方向图波束可重构天线也不需要设置单脉冲比较器，损耗较小，增益较高，剖面小，成本低，整体面积较小，但其馈源网络复杂，和差网络面积较大，导致其口径效率不到30％，也相对较低。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是提供一种在损耗较小，增益较高，剖面小，成本低，整体面积较小的同时，省略了馈电网络，结构更为紧凑，口径效率较高，可达59％的方向图波束可重构微带贴片天线。
2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种方向图波束可重构微带贴片天线，包括介质基板、金属地和辐射贴片，所述的辐射贴片设置在所述的介质基板的上表面，所述的介质基板为矩形板，将所述的介质基板的长度方向作为左右方向，宽度方向作为前后方向，厚度方向作为高度方向，所述的辐射贴片通过在矩形金属贴片上开设三个矩形槽形成，所述的矩形金属贴片附着在所述的介质基板的上表面，所述的矩形金属贴片的前端面平行于所述的介质基板的前端面，且位于所述的介质基板的前端面所在平面的后侧，所述的矩形金属贴片的后端面平行于所述的介质基板的后端面，且位于所述的介质基板的后端面所在平面的前侧，所述的矩形金属贴片的左端面平行于所述的介质基板的左端面，且位于所述的介质基板的左端面所在平面的右侧，所述的矩形金属贴片的右端面平行于所述的介质基板的右端面，且位于所述的介质基板的右端面所在平面的左侧，所述的介质基板与所述的矩形金属贴片的中心轴线位于同一直线；将三个矩形槽分别称为第一矩形槽、第二矩形槽和第三矩形槽，所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽和所述的第三矩形槽上下贯穿所述的矩形金属贴片，所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽和所述的第三矩形槽按照从前到后顺序间隔分布，所述的第一矩形槽的前端面与所述的矩形金属贴片的前端面齐平，所述的第三矩形槽的后端面与所述的矩形金属贴片的后端面齐平，所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽和所述的第三矩形槽的左端面位于同一平面，所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽和所述的第三矩形槽的右端面位于同一平面，所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽和所述的第三矩形槽的左端面所在平面与所述的矩形金属贴片的左端面之间的距离等于所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽和所述的第三矩形槽的右端面所在平面与所述的矩形金属贴片的右端面之间的距离，所述的第一矩形槽的后端面与所述的第二矩形槽的前端面之间的距离等于所述的第二矩形槽的后端面与所述的第三矩形槽的前端面之间的距离，所述的第一矩形槽沿前后方向的长度等于所述的第三矩形槽沿前后方向的长度，且小于所述的第二矩形槽沿前后方向的长度；所述的金属地为矩形，所述的金属地的前端面与所述的介质基板的前端面上下对齐，所述的金属地的后端面与所述的介质基板的后端面上下对齐，所述的金属地的左端面与所述的介质基板的左端面上下对齐，所述的金属地的右端面与所述的介质基板的右端面上下对齐；所述的方向图波束可重构微带贴片天线还包括4个金属化过孔组、一个同轴探针和8个贴片二极管，每个金属化过孔组均包括上下贯穿所述的矩形金属贴片、所述的介质基板和所述的金属地的两个金属化过孔，将4个金属化过孔组分别称为第一金属化过孔组、第二金属化过孔组、第三金属化过孔组和第四金属化过孔组，所述的第一金属化过孔组、所述的第二金属化过孔组、所述的第三金属化过孔组和所述的第四金属化过孔组按照从前到后顺序依次间隔分布，所述的第一金属化过孔组的两个金属化过孔位于所述的第一矩形槽的左右两侧且与所述的第一矩形槽不接触，所述的第一金属化过孔组的两个金属化过孔相对于所述的第一矩形槽左右对称，所述的第一金属化过孔组的两个金属化过孔的中心轴线到所述的第一矩形槽的前端面所在平面的距离等于其到所述的第一矩形槽的后端面所在平面的距离，所述的第二金属化过孔组的两个金属化过孔位于所述的第二矩形槽的左右两侧且与所述的第二矩形槽不接触，所述的第二金属化过孔组的两个金属化过孔相对于所述的第二矩形槽左右对称，所述的第三金属化过孔组的两个金属化过孔位于所述的第二矩形槽的左右两侧且与所述的第二矩形槽不接触，所述的第三金属化过孔组的两个金属化过孔相对于所述的第二矩形槽左右对称，所述的第二金属化过孔组的两个金属化过孔的中心轴线到所述的第二矩形槽的前端面所在平面的距离等于所述的第三金属化过孔组的两个金属化过孔的中心轴线到所述的第二矩形槽的后端面所在平面的距离，所述的第四金属化过孔组的两个金属化过孔位于所述的第三矩形槽的左右两侧且与所述的第三矩形槽不接触，所述的第四金属化过孔组的两个金属化过孔相对于所述的第三矩形槽左右对称，所述的第四金属化过孔组的两个金属化过孔的中心轴线到所述的第三矩形槽的前端面所在平面的距离等于其到所述的第三矩形槽的后端面所在平面的距离；将使所述的介质基板呈前后对称的平面称为第三对称面，所述的第一金属化过孔组与所述的第四金属化过孔组相对于所述的第三对称面前后对称，所述的第二金属化过孔组与所述的第三金属化过孔组相对于所述的第三对称面前后对称；4个金属化过孔组中的每个金属化过孔的上端与所述的矩形金属贴片连接，下端与所述的金属地断开；4个金属化过孔组的8个金属化过孔与8个贴片二极管一一对应，相对应的一个金属化过孔与一个贴片二极管中，该金属化过孔的下端通过该贴片二极管与所述的金属地连接，当该贴片二极管正向导通时，该金属化过孔与所述的金属地连通，当该贴片二极管反向截止时，该金属化过孔与所述的金属地断开；所述的同轴探针上下贯穿所述的矩形金属贴片、所述的介质基板和所述的金属地，所述的同轴探针与所述的金属地断开，所述的同轴探针与所述的矩形金属贴片连接，所述的金属探针位于所述的第二矩形槽的左端面的左侧以及所述的矩形金属贴片的左端面的右侧，所述的金属探针与所述的第二矩形槽的左端面和所述的矩形金属贴片的左端面之间分别具有一段距离，所述的同轴探针用于将传输至其处的射频信号背馈至所述的辐射贴片，当8个贴片二极管均正向导通时，所述的金属地和矩形金属贴片通过8个金属化过孔连通，此时所述的微带贴片能够产生双波束辐射至自由空间，当8个贴片二极管反向截止时，所述的金属地和矩形金属贴片断开，此时所述的微带贴片能够产生单波束辐射至自由空间，通过控制8个贴片二极管的通断，所述的方向图波束可重构微带贴片天线能够实现单波束和双波束的切换。
3、所述的金属地上设置有8个安装槽，所述的介质基板的下表面在8个安装槽处暴露出来，所述的8个安装槽与4个金属化过孔组的8个金属化过孔一一对应，相对应的一个安装槽与一个金属化过孔中，该金属化过孔通过该安装槽与所述的金属地断开；每个安装槽处均设置有两个用于安装贴片二极管的金属焊盘，其中一个金属焊盘与所述的金属地连通，另一个金属焊盘与对应的金属化过孔连通。
4、所述的介质基板的材料为相对介电常数为2.65、损失角正切值为0.002的f4b，所述的介质基板的长度为127.68mm，宽度为127.68mm，厚度为2mm；每个金属化过孔的半径为0.5mm；所述的同轴探针为50欧姆的同轴探针；所述的矩形金属贴片和所述的金属地的材料均为铜，所述的矩形金属贴片的长度为65.12mm，宽度为65.12mm，厚度为0.035mm，所述的金属地的厚度为0.035mm，所述的第一矩形槽沿前后方向的长度为13.03mm，沿左右方向的宽度为1.09mm，所述的第二矩形槽沿前后方向的长度为19.54mm，沿左右方向的宽度为1.09mm，所述的第三矩形槽沿前后方向的长度为13.03mm，沿左右方向的宽度为1.09mm；所述的金属探针的中心轴线与所述的矩形金属贴片的左端面之间的距离为18.73mm，所述的第一金属化过孔组的每个金属化过孔的中心轴线与所述的第一矩形槽的距离为2.285mm，所述的第二金属化过孔组的每个金属化过孔的中心轴线与所述的第二矩形槽的距离为2.285mm，所述的第三金属化过孔组的每个金属化过孔的中心轴线与所述的第二矩形槽的距离为2.285mm，所述的第四金属化过孔组的每个金属化过孔的中心轴线与所述的第三矩形槽的距离为2.285mm，所述的第二金属化过孔组的每个金属化过孔的中心轴线到所述的第二矩形槽的前端面所在平面的距离为14.77mm，所述的第三金属化过孔组的每个金属化过孔的中心轴线到所述的第二矩形槽的后端面所在平面的距离为14.77mm。
5、与现有技术相比，本发明的优点在于通过在矩形金属贴片上开设三个矩形槽就形成辐射贴片，三个矩形槽按照从前向后的顺序依次间隔设置，用于实现单波束的旁瓣降低和增益增强以及双波束的增益增强，同时设置四个金属化过孔组和8个贴片二极管，通过外部直流控制电路就能够控制8个贴片二极管的正向导通与反向截止，从而控制四个金属化过孔组与金属地之间的连通与断开，当8个贴片二极管正向导通时，四个金属化过孔组与金属地连通，此时矩形金属贴片通过四个金属化过孔组与金属地连通，微带贴片能够产生双波束辐射至自由空间，当8个贴片二极管反向截止时，四个金属化过孔组与金属地断开，此时矩形金属贴片不能通过四个金属化过孔组与金属地连通，微带贴片能够产生单波束辐射至自由空间，在微带贴片辐射单波束时，三个矩形槽实现单波束的旁瓣降低和增益增强，从而降低天线旁瓣，损耗较小，提高天线增益，在微带贴片辐射双波束时，三个矩形槽实现双波束的增益增强，从而提高天线增益，另外，本发明仅需要设置单层介质基板，通过同轴探针将射频信号背馈至辐射贴片，没有复杂的单脉冲比较器和馈电网络，只在金属地上设置有一个由8个贴片二极管构成的简单的开关电路即可，结构简单，剖面小，成本低，整体面积较小，结构更为紧凑，口径效率较高，可达59％，经实验验证，本发明单波束的增益增强，达到了12.2db，旁瓣电平为-50.4db，达到了超低旁瓣天线的水平，hpbw为46°，双波束的增益为9.7db，零值深度为-23.2db，整体性能优异。