本發(fā)明涉及一種寬帶低剖面方向圖可重構(gòu)天線，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)系統(tǒng)需求以及工作模式提出了更高要求，傳統(tǒng)的單功能天線不能很好的滿足當(dāng)前的需要，并成為制約系統(tǒng)性能發(fā)展的瓶頸。可重構(gòu)天線的提出和發(fā)展給這些問(wèn)題提供了很好的解決方案。方向圖可重構(gòu)天線能夠根據(jù)實(shí)際需求和環(huán)境變化控制天線的主波束以及零方向。同時(shí)，隨著通信業(yè)務(wù)的飛速增長(zhǎng)，系統(tǒng)對(duì)天線的可用帶寬要求越來(lái)越高。

由于現(xiàn)代單層PCB工藝十分成熟，在不是十分高的頻段內(nèi)，加工精度也十分有保證，同時(shí)加工的產(chǎn)品可以擁有低輪廓、小體積、高集成度的特性，有利于天線的大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。因此，使用單層PCB工藝的極化可重構(gòu)基片集成波導(dǎo)縫隙天線在低輪廓、高集成度以及降低成本上都有很現(xiàn)實(shí)的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種寬帶低剖面方向圖可重構(gòu)天線，該方向圖可重構(gòu)天線僅需要四個(gè)天線單元(或子陣列)、四個(gè)開關(guān)和一個(gè)簡(jiǎn)單的功率分配器結(jié)構(gòu)就可以構(gòu)成，與一般方向圖可重構(gòu)天線相比，具有低剖面，寬帶寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成等優(yōu)點(diǎn)。它具有一致性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種寬帶低剖面方向圖可重構(gòu)天線，包括四個(gè)縱橫方向二維陣列排布的天線單元、四個(gè)與天線單元一一對(duì)應(yīng)的開關(guān)、一分四的等幅度等相位功率分配器；每個(gè)天線單元設(shè)置有兩個(gè)饋電端口，各天線單元兩端的饋電端口分別通過(guò)微帶傳輸線(7)與開關(guān)相連；所述一分四的等幅度等相位功率分配器的四個(gè)分支分別與開關(guān)相連，所述開關(guān)用于控制等幅度等相位功率分配器分別饋電于每個(gè)天線單元的兩個(gè)饋電端口的其中一個(gè)饋電端口，使天線單元兩個(gè)饋電端口只有一個(gè)饋電端口處于工作狀態(tài)。

優(yōu)選的：所述天線單元包括上介質(zhì)基片(12)、下介質(zhì)基片(11)、上金屬層(21)、中金屬層(22)、下金屬層(23)和2個(gè)以上陣列式排布成諧振腔(4)的金屬通孔(41)，所述上介質(zhì)基片(12)、下介質(zhì)基片(11)由上到下依次設(shè)置；所述上金屬層(21)設(shè)置于上介質(zhì)基片(12)的上表面，中金屬層(22)設(shè)置于下介質(zhì)基片(11)的上表面，而所述下金屬層(23)設(shè)置于下介質(zhì)基片(11)的下表面；所述金屬通孔(41)依次貫穿中金屬層(22)、下介質(zhì)基片(11)以及下金屬層(23)，且金屬通孔(41)的上端與中金屬層(22)的上表面連接，而下端與下金屬層(23)的下表面連接；所述中金屬層(22)上設(shè)置有天線單元激勵(lì)層，所述天線單元激勵(lì)層用于激勵(lì)上介質(zhì)基片(12)上設(shè)置的上金屬層(21)；所述下金屬層(23)上設(shè)置有天線單元饋電結(jié)構(gòu)，所述天線單元饋電結(jié)構(gòu)與微帶傳輸線(7)相連。

優(yōu)選的：所述上金屬層(21)包括四個(gè)寄生貼片(211)，所述寄生貼片(211)在上介質(zhì)基片(12)上呈縱橫方向二維陣列排布。

優(yōu)選的：所述中金屬層(22)的上表面且位于諧振腔(4)的四周蝕刻出環(huán)形縫隙作為輻射縫隙(2)，所述輻射縫隙(2)作為天線單元激勵(lì)層。

優(yōu)選的：所述天線單元的兩個(gè)饋電端口設(shè)置在下金屬層(23)上，所述饋電端口蝕刻出縫隙作為有限接地共面波導(dǎo)傳輸線(3)，所述有限接地共面波導(dǎo)傳輸線(3)作為天線單元饋電結(jié)構(gòu)，所述饋電端口通過(guò)有限接地共面波導(dǎo)傳輸線(3)與傳輸線(7)相連。

優(yōu)選的：所述諧振腔(4)的輪廓為方形或長(zhǎng)方形。

優(yōu)選的：所述天線單元的工作模式為諧振腔(4)的高次TE210模式。

優(yōu)選的：兩個(gè)饋電端口相位相差180度。

優(yōu)選的：所述一分四的等幅度等相位功率分配器包括第一等相位等幅度功率分配器(6)、第二等相位等幅度功率分配器(51)、第三等相位等幅度功率分配器(52)，所述第二等相位等幅度功率分配器(51)和第三等相位等幅度功率分配器(52)相并聯(lián)后與第一等相位等幅度功率分配器(6)串聯(lián)。

有益效果：本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

1、整個(gè)天線單元(或子陣列)主要有金屬層和金屬化通孔組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)可以用傳統(tǒng)的PCB或LTCC工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)；

2、該天線能通過(guò)四個(gè)一分二開關(guān)和三個(gè)的威爾金森功率分配器改變天線單元(或子陣列)的信號(hào)輸入端口，從而實(shí)現(xiàn)和波束、方位差波束、俯仰差波束和雙差波束，即形成方向圖可重構(gòu)天線。

3、該天線具有四種不同的方向圖：和波束、俯仰差波束、方位差波束和雙差波束，同時(shí)滿足較好駐波特性，，且?guī)拰挕⑤喞?、體積小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于集成。

4、本發(fā)明中，通過(guò)開關(guān)控制天線單元(或子陣列)的信號(hào)輸入端口：當(dāng)四個(gè)天線都從相同相位輸入時(shí)，將實(shí)現(xiàn)和波束；當(dāng)四個(gè)天線單元(或子陣列)中橫向的上下兩對(duì)天線單元(或子陣列)從相同相位的端口輸入，縱向的左右兩對(duì)天線單元(或子陣列)從相反相位輸入，則實(shí)現(xiàn)俯仰差波束；反之，當(dāng)四個(gè)天線單元(或子陣列)中橫向的上下兩對(duì)天線單元(或子陣列)從相反相位的端口輸入，縱向的兩對(duì)天線單元(或子陣列)從相同相位輸入，則實(shí)現(xiàn)方位差波束；當(dāng)每相鄰的兩個(gè)天線單元(或子陣列)都從相反相位的端口輸入，則實(shí)現(xiàn)了雙差波束。

附圖說(shuō)明

圖1為一種方向圖可重構(gòu)天線中天線單元(或子陣列)的上金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為天線單元(或子陣列)的中金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為天線單元(或子陣列)的下金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為2×2方向圖可重構(gòu)天線陣列的上金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為方向圖可重構(gòu)天線陣列的中金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為方向圖可重構(gòu)天線陣列的下金屬層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為金屬化通孔的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為方向圖可重構(gòu)天線在和波束狀態(tài)下仿真和測(cè)試的回波損耗|S₁₁|；

圖9為方向圖可重構(gòu)天線在方位差波束狀態(tài)下仿真和測(cè)試的回波損耗|S₁₁|；

圖10為方向圖可重構(gòu)天線在俯仰差波束狀態(tài)下仿真和測(cè)試的回波損耗|S₁₁|；

圖11為方向圖可重構(gòu)天線在雙差波束狀態(tài)下仿真和測(cè)試的回波損耗|S₁₁|；

圖12為天線在頻率5.4GHz和6GHz時(shí)波束歸一化增益方向圖,其中，圖12a為天線在頻率5.4GHz時(shí)波束歸一化增益方向圖，圖12b為天線在頻率6GHz時(shí)波束歸一化增益方向圖；

圖13為天線在頻率5.4GHz和6GHz時(shí)方位差波束歸一化增益方向圖,其中，圖13a為天線在頻率5.4GHz時(shí)方位差波束歸一化增益方向圖,圖13b為天線在頻率6GHz時(shí)方位差波束歸一化增益方向圖；

圖14為天線在頻率5.4GHz和6GHz時(shí)俯仰差波束歸一化增益方向圖,其中，圖14a為天線在頻率5.4GHz時(shí)俯仰差波束歸一化增益方向圖,圖14b為天線在頻率6GHz時(shí)俯仰差波束歸一化增益方向圖；

圖15為天線在頻率5.4GHz和6GHz時(shí)雙差波束歸一化增益方向圖φ＝45°，其中，圖15a為天線在頻率5.4GHz時(shí)雙差波束歸一化增益方向圖φ＝45°，圖15b為天線在頻率6GHz時(shí)雙差波束歸一化增益方向圖φ＝45°，；

圖16為天線在頻率5.4GHz和6GHz時(shí)雙差波束歸一化增益方向圖φ＝135°，其中，圖16a為天線在頻率5.4GHz時(shí)雙差波束歸一化增益方向圖φ＝135°,，圖15b為天線在頻率6GHz時(shí)雙差波束歸一化增益方向圖φ＝135°；

圖17為在法向方向上，天線在和波束狀態(tài)時(shí)隨頻率變化下的增益變化關(guān)系圖；

圖18為在法向方向上，天線在方位差波束狀態(tài)時(shí)隨頻率變化下的增益變化關(guān)系圖；

圖19為在法向方向上，天線在俯仰差波束狀態(tài)時(shí)隨頻率變化下的增益變化關(guān)系圖；

圖20為在法向方向上，天線在雙差波束狀態(tài)時(shí)隨頻率變化下的增益變化關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

一種寬帶低剖面方向圖可重構(gòu)天線，如圖4、圖5、圖6所示2×2方向圖可重構(gòu)天線陣列，包括四個(gè)縱橫方向二維陣列排布的天線單元(或子陣列)、四個(gè)與天線單元一一對(duì)應(yīng)的單刀雙擲開關(guān)、一個(gè)一分四的等幅度等相位功率分配器，每個(gè)天線單元采用諧振腔4和寄生貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓展帶寬，并且包括兩個(gè)饋電端口，各天線單元(或子陣列)兩端的饋電端口分別通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線3轉(zhuǎn)微帶傳輸線7與開關(guān)相連，開關(guān)控制使天線單元(或子陣列)兩端只有一個(gè)端口處于工作狀態(tài)；三個(gè)等相位等幅度功率分配器，其中一個(gè)功率分配器并聯(lián)另兩個(gè)功率分配器，從而構(gòu)成一個(gè)一分四的等幅度等相位功率分配器，這個(gè)一分四的等幅度等相位功率分配器四個(gè)分支分別與開關(guān)相連，通過(guò)開關(guān)控制，可分別饋電于四個(gè)天線單元(或子陣列)的兩個(gè)端口的其中一個(gè)端口。改變開關(guān)的狀態(tài)，即改變天線單元(或子陣列)的輸入端口(又稱饋電端口，簡(jiǎn)稱端口)，從而改變天線單元(或子陣列)的相位，可形成四種不同的天線方向圖：和波束、方位差波束、俯仰差波束和雙差波束，從而可實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)天線。

如圖1、2、3所示，為一種小型的方向圖可重構(gòu)天線的天線單元(或子陣列)，該天線單元(或子陣列)的工作模式為方形諧振腔4的高次簡(jiǎn)并模式；天線單元(或子陣列)包括上介質(zhì)基片12、下介質(zhì)基片11、上金屬層21、中金屬層22、下金屬層23和金屬通孔，所述金屬通孔貫穿下介質(zhì)基片11、上下兩端分別連接中金屬層22和下金屬層23。天線具有兩個(gè)輸入端口，兩個(gè)輸入端口相位相差180度。

如圖1所示，所述上金屬層21由四個(gè)寄生貼片211組成，所述寄生貼片211在上介質(zhì)基片12上呈縱橫方向二維陣列排布。

具體的，在中金屬層22的上表面且位于諧振腔4的四周蝕刻出環(huán)形縫隙作為輻射縫隙2，所述輻射縫隙2作為天線單元(或子陣列)的激勵(lì)層，激勵(lì)上金屬層寄生貼片21。單元的兩個(gè)饋電端口設(shè)置在下金屬層23上，所述饋電端口蝕刻出縫隙作為有限接地共面波導(dǎo)傳輸線3，所述有限接地共面波導(dǎo)傳輸線3作為天線單元(或子陣列)的饋電結(jié)構(gòu)，并與微帶傳輸線7相連；

具體的，所述第一等相位等幅度功率分配器6通過(guò)并聯(lián)兩個(gè)第二功率分配器(51、51)形成一個(gè)一分四的等相位等幅度功率分配器，所述一分四的等相位等幅度功率分配器的四個(gè)分支分別與四個(gè)開關(guān)相連。如圖6所示，所述一分四的等幅度等相位功率分配器包括第一等相位等幅度功率分配器6、第二等相位等幅度功率分配器51、第三等相位等幅度功率分配器52，所述第二等相位等幅度功率分配器51和第三等相位等幅度功率分配器52相并聯(lián)后與第一等相位等幅度功率分配器6串聯(lián)，第一等相位等幅度功率分配器6、第二等相位等幅度功率分配器51、第三等相位等幅度功率分配器52均為傳統(tǒng)的威爾金森功率分配器。

基于上述，如圖7所示，所述天線單元(或子陣列)包括上介質(zhì)基片12、下介質(zhì)基片11、上金屬層21、中金屬層22、下金屬層23和2個(gè)以上陣列式排布成諧振腔4的金屬通孔41，所述上介質(zhì)基片12、下介質(zhì)基片11由上到下依次設(shè)置；所述上金屬層21設(shè)置于上介質(zhì)基片12的上表面，中金屬層22設(shè)置于下介質(zhì)基片11的上表面，而所述下金屬層23設(shè)置于下介質(zhì)基片11的下表面；所述金屬通孔41依次貫穿中金屬層22、下介質(zhì)基片11以及下金屬層23，且金屬通孔41的上端與中金屬層22的上表面連接，而下端與下金屬層23的下表面連接；所述中金屬層22上設(shè)置有天線單元激勵(lì)層，所述天線單元激勵(lì)層用于激勵(lì)上介質(zhì)基片12上設(shè)置的上金屬層21；所述下金屬層23上設(shè)置有天線單元饋電結(jié)構(gòu)，所述天線單元饋電結(jié)構(gòu)與微帶傳輸線7相連，所述各金屬通孔41陣列式排布成諧振腔4。所述諧振腔4的輪廓為方形，所述天線單元(或子陣列)的工作模式為諧振腔4的高次簡(jiǎn)并模式TE120和TE210模式，諧振腔4輪廓具體尺寸根據(jù)所述高次簡(jiǎn)并模式進(jìn)行計(jì)算。

所述中金屬層22上諧振腔4的四周蝕刻出環(huán)形縫隙作為輻射縫隙2，所述輻射縫隙2作為天線單元(或子陣列)的激勵(lì)層，激勵(lì)上金屬層寄生貼片21。所述天線單元(或子陣列)的兩個(gè)饋電端口設(shè)置在下金屬層23上，所述饋電端口蝕刻出縫隙作為有限接地共面波導(dǎo)傳輸線3(FG-CPW)，所述有限接地共面波導(dǎo)傳輸線3作為天線單元(或子陣列)的饋電結(jié)構(gòu)，并與微帶傳輸線7相連。所述一分二開關(guān)決定天線的饋電端口，從而改變輻射單元的相位，實(shí)現(xiàn)和波束、方位差波束、俯仰差波束及雙差波束。

本發(fā)明中，基于方形的基片集成波導(dǎo)背腔天線單元(或子陣列)分別從兩個(gè)角方向進(jìn)行饋電時(shí)，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此通過(guò)對(duì)角端口饋電時(shí)輻射場(chǎng)相位相差180度。通過(guò)開關(guān)控制天線單元(或子陣列)的信號(hào)輸入端口：當(dāng)四個(gè)天線都從相同相位輸入時(shí)，將實(shí)現(xiàn)和波束；當(dāng)四個(gè)天線單元(或子陣列)中橫向的上下兩對(duì)天線單元(或子陣列)從相同相位的端口輸入，縱向的左右兩對(duì)天線單元(或子陣列)從相反相位輸入，則實(shí)現(xiàn)俯仰差波束；反之，當(dāng)四個(gè)天線單元(或子陣列)中橫向的上下兩對(duì)天線單元(或子陣列)從相反相位的端口輸入，縱向的兩對(duì)天線單元(或子陣列)從相同相位輸入，則實(shí)現(xiàn)方位差波束；當(dāng)相鄰的天線單元從相反的端口輸入，則實(shí)現(xiàn)雙差波束。

基于本發(fā)明思想，利用PCB工藝制作圓極化單脈沖天線，并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試：圖8，圖9，圖10，圖11分別為該天線陣列的和波束、俯仰差波束,、方位差波束和雙差波束的仿真和測(cè)試的回波損耗|S₁₁|；圖12天線在頻率5.4GHz和6GHz時(shí)和波束歸一化增益方向圖；圖13天線在頻率5.4GHz和6GHz時(shí)俯仰差波束歸一化增益方向圖；圖14天線在頻率5.4GHz和6GHz時(shí)方位差波束歸一化增益方向圖；圖15天線在頻率5.4GHz和6GHz時(shí)雙差波束歸一化增益方向圖φ＝45°；圖16天線在頻率5.4GHz和6GHz時(shí)雙差波束歸一化增益方向圖φ＝135°；圖17為在法向方向上，天線在和波束時(shí)隨頻率變化下的增益變化關(guān)系圖；圖18為在法向方向上，天線在俯仰差波束隨頻率變化下的增益變化關(guān)系圖；圖19為在法向方向上，天線在方位差波束隨頻率變化下的增益變化關(guān)系圖；圖20為在法向方向上，天線在雙差波束隨頻率變化下的增益變化關(guān)系圖。測(cè)試表明，該天線具有四種不同的方向圖：和波束、俯仰差波束、方位差波束和雙差波束，在很寬的頻帶內(nèi)同時(shí)滿足較好的駐波特性，且輪廓低、體積小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于集成。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。