基于可变电容调谐机制的频率和极化可重构天线阵列的制作方法

本发明涉及一种基于可变电容调谐机制的频率和极化可重构天线阵列，主要应用在2.4ghz的ism频段等，属于射频前端器件领域。

背景技术：

1、不同的发射天线辐射不同形式的电磁波在空间中自由传播，空间中电磁波的形式主要与所发射天线的极化方式相关。一般接收天线只能接收对应极化模式的电磁波，比如水平极化天线只能接收水平极化的电磁波，接收其他极化模式的电磁波将会出现极化损失。如果天线可以在不同的极化状态下进行灵活切换就可以更好地接收或发射信号。极化可重构天线在时分模式下的不同极化状态可以大大地提升通信容量，也可以降低不同用途(接收或者发射)通道之间的相互干扰，优点众多，因此具有重要的研究价值。

2、根据目前的文献报道，极化可重构的实现方式主要有以下几种。

3、第一种方式是通过多端口为辐射体不同位置的馈电点进行馈电从而在天线中激励起不同形式的电流分布，或者在阵列天线中激励起不同天线阵元，各个阵元共同作用实现阵列整体的极化方式改变。2017年，j.hu等人提出了一款宽带极化可重构贴片天线阵列，其天线阵元采用双层基板设计，在上层基板放置了四个辐射贴片，下层基板设计了基片集成波导结构，在对角位置有两个端口，通过共面波导激励馈电。进一步，通过顺时针旋转设计了一款四阵元的阵列天线。但是此种形式的极化可重构天线占用空间过大，在空间有限的紧凑小型设备上无法应用，另外多个端口的使用也会增加系统整体的成本。

4、第二种方式是通过在辐射体上加入射频开关直接控制辐射电流分布与路径，实现不同的极化特性。2020年，m.li等人报道了一款低剖面的宽带极化可重构天线，该天线将四个尺寸相同的方形贴片等间距放置以耦合形成一组宽带的简并模式，然后通过差分馈电激励放置于上层基板的l型偶极子，从而分离正交的简并模以形成宽带圆极化，通过控制pin管的通断可以改变差分馈电激励装置，实现该天线的不同工作模式。

5、第三种方式是利用极化可重构缝隙实现极化可重构，在辐射体上直接开槽改变辐射体上电流的分布情况或者利用地板上的可重构缝隙间接改变天线的辐射方式，实现不同极化的可重构。2015年，c-y-d.sim等人提出了一款形状为环形槽的极化可重构天线，该天通过两个条形微带线在下方馈电激励，在地板上开环形槽并且在环形槽的下方有左右对称的两个小圆形槽，圆形槽通过pin管与环形槽进行连接。这样就可以通过pin管控制地板槽缝的形状，影响天线的电流分布，实现天线线极化和左、右旋圆极化三种状态的灵活切换。

6、以上天线各自存在问题，如天线尺寸太大、结构机械强度不高、可重构馈电网络馈电损耗较大、交叉极化隔离度较差、天线前后比太差等，使得它们的应用受到限制。

7、此外，目前关于极化可重构天线方面的研究文献数量众多，一些现有的报道在特定领域具有优越的性能。然而目前大多数极化可重构天线只能覆盖单个频段，很少有可覆盖多频段的极化可重构天线。多频天线可以接收/发射更多频段的通信信号，如果将频率可重构与极化可重构技术结合将大幅地提升通信设备的适用性，实现真正的“一物多用”。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明设计是基于可变电容调谐机制的频率和极化可重构天线阵列，可以满足多频段和极化切换的要求。所设计的天线阵列实现了结构简单、设计方便、低剖面、增益高等特点。

2、为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、基于可变电容调谐机制的频率和极化可重构天线阵列，包括天线辐射单元；所述天线辐射单元包括介质基板(25)和分别位于介质基板上、下表面的主辐射贴片(24)与金属地(26)；

4、所述主辐射贴片的边缘为锯齿结构；在每一主辐射贴片的一侧还设置有一对开路短截线；所述开路短截线均为弯曲的折线结构，且同对的两个开路短截线关于主辐射贴片的中心线镜像对称；开路短截线均通过可变电容(28)与对应的主辐射贴片(24)连接；

5、所述可变电容(28)的一端连接在所述中心线两侧第一个凹槽的外侧，另一端与对应的开路短截线连接；在开路短截线的末折线段上还顺次设置有电阻(29)和电感(30)；

6、每一天线单元均通过t形功分器后微带线嵌入式进行馈电激励。

7、进一步的，还包括馈电网络；每一天线辐射单元均连接在馈电网络的末端。

8、进一步的，所述馈电网络为t形功分网络，其结构和尺寸满足50欧姆标准阻抗。

9、进一步的，所述开路短截线由五段垂直弯折连接而成。

10、进一步的，所述天线辐射单元设有四个，且四个天线辐射单元以矩形阵列的方式排布，其中相邻的两个天线辐射单元向内旋转45°，另一相邻的两个天线辐射单元朝外旋转45°。

11、进一步的，所述主辐射贴片(24)的中心通过金属通孔与金属地连接。

12、本发明相比背景技术具有如下优点：

13、a)通过简单地控制施加在天线上的反向电压来对短路变容二极管产生谐振频率和相位差，就可以实现正交的两个天线单元之间相位差为90°，从而切换左旋/右旋/线极化，省去了复杂的移相器。

14、b)通过变容二极管+短截线实现了频率可调谐，可在调谐范围内精确调谐频率。

15、c)具有简单的天线结构和馈电结构、制造方便，相对于其他同功能天线，设计结构简单，平面微带结构可以实现快速印刷制造。

技术特征：

1.基于可变电容调谐机制的频率和极化可重构天线阵列，包括天线辐射单元；其特征在于，所述天线辐射单元包括介质基板(25)和分别位于介质基板上、下表面的主辐射贴片(24)与金属地(26)；

2.根据权利要求1所述的基于可变电容调谐机制的频率和极化可重构天线阵列，其特征在于，还包括馈电网络；每一天线辐射单元均连接在馈电网络的末端。

3.根据权利要求2所述的基于可变电容调谐机制的频率和极化可重构天线阵列，其特征在于，所述馈电网络为t形功分网络，其结构和尺寸满足50欧姆标准阻抗。

4.根据权利要求1所述的基于可变电容调谐机制的频率和极化可重构天线阵列，其特征在于，所述开路短截线由五段垂直弯折连接而成。

5.根据权利要求1所述的基于可变电容调谐机制的频率和极化可重构天线阵列，其特征在于，所述天线辐射单元设有四个，且四个天线辐射单元以矩形阵列的方式排布，其中相邻的两个天线辐射单元向内旋转45°，另一相邻的两个天线辐射单元朝外旋转45°。

6.根据权利要求1所述的基于可变电容调谐机制的频率和极化可重构天线阵列，其特征在于，所述主辐射贴片(24)的中心通过金属通孔与金属地连接。

技术总结
本发明公开了基于可变电容调谐机制的频率和极化可重构天线阵列，属于射频前端器件领域。其由相同的天线单元组成，天线单元由主辐射贴片、两个弯折短截线、两个可变电容、一个大电阻、一个电感、介质基板、一个SMA连接器、金属地组成。通过施加不同反向电压到可变电容上，从而调谐天线单元的谐振频率和谐振相位，在横向两个单元之间形成90度左右的相位差从而实现圆极化，通过对调左右两侧施加的电压即可方便地切换左旋/右旋圆极化。当左右两侧施加的反向电压相等时，天线为线极化，产生的圆极化轴比。本发明使得天线整体结构更加简单，降低了加工复杂度和成本，其平面微带结构可以实现快速印刷制造。

技术研发人员：张乃柏,任世豪,黄建明,崔岩松,杨光耀,邓琨,殷光强,宋瑞良,张博
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10