一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，更具体涉及一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列。


背景技术：

2.随着无线通信技术的不断发展，对小型化、集成化和多功能的通信系统提出了更高的要求，现有的单一功能的天线技术已不能够满足当前的需求，编程可重构天线提供了一种良好思路，尤其是在多功能天线方面，可编程天线控制能发挥至关重要的作用。频率，极化和方向图编程可重构天线能够根据实际用户需求在复杂电磁环境条件下完成天线工作频率、极化方式及和差波束功能高速切换。
3.目前，pcb板加工工艺已经相当成熟，其加工的精度在微波频段得到有力的保证。同时，利用pcb板工艺加工的天线在低轮廓、小体积、高集成度等方面具有诸多优势，同时便于天线的大规模生产，降低单个天线的经济成本。因此，使用pcb板工艺的可重构编程微带天线及降低成本方面都有很现实的意义。
4.中国专利授权公告号cn107887694b，公开了一种采用液晶材料增强极化可重构能力的频率/极化/方向图独立可重构贴片天线，包括第一介质板、第二介质板、八边形金属贴片、八边形金属环、菱形寄生金属贴片、金属地板、带有液晶材料的可重构功分移相器。第二介质板位于第一介质板下方，且第二介质板的上表面与第一介质板的下表面相重合。第二介质板中的带有液晶材料的可重构功分移相器用于增强天线在不同可重构频率下的极化调节能力。本发明可以实现天线频率、极化和方向图的独立可重构，并通过控制偏置电压调节液晶材料的介电常数，对不同可重构频率下的天线极化特性进行调节，改善圆极化性能，进而增强天线的极化可重构能力，使天线能在不同频段、不同极化方式和不同辐射指向间进行灵活变换，但是虽然该专利能实现不同频段、不同极化方式和不同辐射指向间进行灵活变换，但是变换过程复杂，结构复杂，工程上实现难度较大。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于现有技术频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列，变换过程复杂，结构复杂，工程上实现难度较大的问题。
6.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列，包括第一介质板(1)、第二介质板(2)及第三介质板(3)，所述第一介质板(1)上表面设置有至少一个天线单元(11)，所述天线单元(11)包括辐射贴片(111)以及设置在辐射贴片(111)四周的第一金属贴片(112)，每个第一金属贴片(112)与辐射贴片(111)与之间通过变容二极管(113)连接；辐射贴片(111)的中间设置多个馈电端口(114)；所述第二介质板(2)下表面与天线单元(11)一一对应的设置至少一个馈电网络，每个天线单元(11)上的馈电端口(114)与其对应的馈电网络连接，所有的馈电网络通过功分器(25)连接，所述第三介质板(3)下表面设置有与天线单元(11)以及馈电网络一一对应的直流偏置网
络，所述直流偏置网络与fpga连接，每个直流偏置网络与其对应的馈电网络连接，每个天线单元(11)上的第一金属贴片(112)通过第一贴片电感(115)与可调电压源(118)连接；通过fpga对天线单元(11)之间的相位以及每个馈电网络的通断进行控制，通过可调电压源(118)对每个天线单元(11)的电压进行控制。
7.本发明通过fpga控制每个天线单元(11)上与馈电端口(114)对应的馈电网络的通断，实现不同极化方式的切换，同样fpga通过对每个天线单元(11)的馈电端口(114)独立控制，利用各个天线单元(11)之间的相位变化实现不同方向图，通过可调电压源(118)对每个天线单元(11)上的第一金属贴片(112)的施加不同的电压值，得到不同电容值，从而实现不同频率切换，整体结构简单，控制过程简单，工程上易于实现。
8.进一步地，所述辐射贴片(111)为方形，所述第一金属贴片(112)为半椭圆形，所述第一金属贴片(112)的直边正对辐射贴片(111)并且与之平行，所述第一金属贴片(112)的弧形边的最高处连接一个第一贴片电感(115)，第一贴片电感(115)与电源接线端子(116)连接，电源接线端子(116)与可调电压源(118)连接。
9.进一步地，所述频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列还包括粘合层，所述第一介质板(1)与第二介质板(2)之间通过粘合层粘合。
10.进一步地，所述馈电网络包括与馈电端口(114)位置一一对应的多个微波开关(21)，所述微波开关(21)为二极管，每个所述微波开关(21)通过微带线连接一个隔直流电容(22)的一端，所有隔直流电容(22)的另一端通过微带线连接到一起形成馈电网络接口(23)，每个天线单元(11)上的馈电端口(114)通过第一金属化过孔与其对应的馈电网络上的微波开关(21)连接。
11.更进一步地，所述功分器(25)为一分二威尔金森环形功分器(25)，每两个馈电网络通过馈电网络接口(23)分别与一个功分器(25)的两个输出端口连接，连接有馈电网络的功分器(25)再通过其他功分器(25)连接。
12.更进一步地，所述直流偏置网络包括呈矩形阵列排布的正极接头(31)、负极接头(32)、第二金属贴片(33)及第二贴片电感(34)，所述直流偏置网络的中间位置设置两个用于安置微波开关(21)的第一矩形孔(35)，直流偏置网络的左右两侧分别设置一个用于安置隔直流电容(22)的第二矩形孔(36)；正极接头(31)、负极接头(32)、第二金属贴片(33)及第二贴片电感(34)均通过导线(37)与接头排针(38)连接，接头排针(38)与fpga连接；所述正极接头(31)、负极接头(32)、第二金属贴片(33)及第二贴片电感(34)均通过第二金属化过孔连接至与之对应的馈电网络的微波开关(21)上。
13.再进一步地，所述可调电压源(118)对第一金属贴片(112)施加不同电压值，得到不同电容值，实现天线工作频率的捷变。
14.再进一步地，所述fpga通过编程控制实现高低电平的输出，从而驱动馈电网络的微波开关(21)的通断，实现不同馈电网络的通断，从而实现不同的极化方式，得到不同的方向图。
15.进一步地，所述频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列还包括地层(4)，所述地层(4)设置在第一介质板(1)与第二介质板(2)之间，所述地层(4)上设置有供第一金属化过孔穿过的通孔(41)，每个天线单元(11)上的馈电端口(114)利用第一金属化过孔穿过地层(4)上的通孔(41)与其对应的馈电网络上的微波开关(21)连接，每个辐射贴片(111)的中间
设置一个第一馈电孔(117)，多个馈电端口(114)分布在第一馈电孔(117)的周围，每个馈电网络的中间设置一个第二馈电孔(24)，多个微波开关(21)分布在第二馈电孔(24)的周围，第一馈电孔(117)以及第二馈电孔(24)均接地层，在地层上形成接地点(42)。
16.进一步地，所述馈电网络通过pcb板敷铜工艺贴附在第二介质板(2)下表面。
17.本发明的优点在于：
18.(1)本发明通过fpga控制每个天线单元(11)上与馈电端口(114)对应的馈电网络的通断，实现不同极化方式的切换，同样fpga通过对每个天线单元(11)的馈电端口(114)独立控制，利用各个天线单元(11)之间的相位变化实现不同方向图，通过可调电压源(118)对每个天线单元(11)上的第一金属贴片(112)的施加不同的电压值，得到不同电容值，从而实现不同频率切换，整体结构简单，控制过程简单，工程上易于实现。
19.(2)本发明的第一金属贴片(112)为半椭圆形，设置成半椭圆形使得极化程度好，补偿交叉极化的缺陷，同时半椭圆形的第一金属贴片(112)的大小决定可调频率范围。
附图说明
20.图1为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列的第一介质板上天线单元结构示意图；
21.图2为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列的第一介质板上所有天线单元分布示意图；
22.图3为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列的第二介质板上馈电网络结构示意图；
23.图4为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列的第二介质板上所有馈电网络分布示意图；
24.图5为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列的第三介质板上直流偏置网络结构示意图；
25.图6为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列的第三介质板上所有直流偏置网络分布示意图；
26.图7为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列上位于单个天线单元下的地层的结构示意图；
27.图8为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列上地层的结构分布示意图；
28.图9为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列的模式一、四和七在不同电容值下的回波损耗示意图；
29.图10为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列的模式一、四和七在不同电容值下的峰值增益示意图；
30.图11为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列的模式一、四和七在不同电容值下的辐射效率示意图；
31.图12为本发明实施例所公开的一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列的模式一、四和七在电容值为2.35pf(工作频率为2.06ghz)和波束e面和h面辐射方向图。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.如图1和图2所示，一种频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列，包括第一介质板1、第二介质板2及第三介质板3，所述第一介质板1上表面设置有至少一个天线单元11，本实施例中设置16个天线单元11，16个天线单元11呈4
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4的矩阵排布。所述天线单元11包括辐射贴片111以及设置在辐射贴片111四周的第一金属贴片112，每个第一金属贴片112与辐射贴片111与之间通过变容二极管113连接；辐射贴片111的中间设置多个馈电端口114，本实施例中设置4个馈电端口114；所述辐射贴片111为方形，所述第一金属贴片112为半椭圆形，所述第一金属贴片112的直边正对辐射贴片111并且与之平行，所述第一金属贴片112的弧形边的最高处连接一个第一贴片电感115，第一贴片电感115与电源接线端子116连接，电源接线端子116与可调电压源118连接。所述可调电压源118对第一金属贴片112施加不同电压值，得到不同电容值1.02pf～8.49pf，实现天线工作频率从1.85ghz至2.25ghz的捷变。
34.如图3所示，所述第二介质板2下表面与天线单元11一一对应的设置至少一个馈电网络，本实施例中，馈电网络个数与天线单元11的个数相同，设置成16个，且各个馈电网络的位置与天线单元11的位置一一对应，馈电网络通过pcb板敷铜工艺贴附在第二介质板2下表面。所述馈电网络包括与馈电端口114位置一一对应的4个微波开关21，所述微波开关21为二极管，每个所述微波开关21通过微带线连接一个隔直流电容22的一端，所有隔直流电容22的另一端通过微带线连接到一起形成馈电网络接口23，每个天线单元11上的馈电端口114通过第一金属化过孔与其对应的馈电网络上的微波开关21连接。
35.如图4所示，所有的馈电网络通过功分器25连接。所述功分器25为一分二威尔金森环形功分器25，每两个馈电网络通过馈电网络接口23分别与一个功分器25的两个输出端口连接，连接有馈电网络的功分器25再通过其他功分器25连接，最终形成一个总的端口，各个功分器25参阅图4，在此不做赘述，接收天线信号时，辐射贴片111和第一金属贴片112接收信号，通过馈电端口114馈入馈电网络，然后馈电网络再通过功分器25将信号输送出去，辐射天线信号时，信号从图4中右侧的功分器25的输入端口进入，通过功分器25到达每个馈电网络，，然后通过馈电端口114到达辐射贴片111和第一金属贴片112表面，然后辐射出去。
36.所述频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列还包括粘合层图未示，所述第一介质板1与第二介质板2之间通过粘合层粘合。本实施例中，粘合层的厚度0.1mm。
37.如图5和图6所示，所述第三介质板3下表面设置有与天线单元11以及馈电网络一一对应的直流偏置网络，所述直流偏置网络包括呈矩形阵列排布的正极接头31、负极接头32、第二金属贴片33及第二贴片电感34，所述直流偏置网络的中间位置设置两个用于安置微波开关21的第一矩形孔35，直流偏置网络的左右两侧分别设置一个用于安置隔直流电容22的第二矩形孔36；正极接头31、负极接头32、第二金属贴片33及第二贴片电感34均通过导线37与接头排针38连接，接头排针38与fpga连接；所述正极接头31、负极接头32、第二金属贴片33及第二贴片电感34均通过第二金属化过孔连接至与之对应的馈电网络的微波开关21上。所述fpga通过编程控制实现高低电平的输出，从而驱动馈电网络的微波开关21的通
断，实现不同馈电网络的通断，从而实现不同的极化方式，得到不同的方向图。
38.不同的极化和波束状态对应的十六进制编码可以为：模式一， 45度极化和波束，4114144128828228；模式二， 45度极化差波1,4114411428822882；模式三， 45度极化差波束2，4114144182282882；模式四，
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45度极化和波束，8228288214414114；模式五，
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45度极化差波束1,8228822814411441；模式六，
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45度极化差波束2,8228288214411441；模式七，90度极化和波束，6996966969969669；模式八，90度极化差波束1,6996699669966996；模式九，90度极化差波束2,6996966996696996。需要说明的是fpga的编码过程中高电平代表导通，低电平代表断开，编码为预设的，并不唯一，适用于本发明当前位置分布的天线阵列。
39.第二介质板2与第三介质板3直接压合在一起，也可以通过介质螺钉固定在一起。
40.如图7和图8所示，所述频率捷变且极化和方向图可控的天线阵列还包括地层4，所述地层4设置在第一介质板1与第二介质板2之间，所述地层4上设置有供第一金属化过孔穿过的通孔41，每个天线单元11上的馈电端口114利用第一金属化过孔穿过地层4上的通孔41与其对应的馈电网络上的微波开关21连接，每个辐射贴片111的中间设置一个第一馈电孔117，多个馈电端口114分布在第一馈电孔117的周围，每个馈电网络的中间设置一个第二馈电孔24，多个微波开关21分布在第二馈电孔24的周围，第一馈电孔117以及第二馈电孔24均接地层，在地层上形成接地点42。
41.为了验证本发明的效果，本发明对该天线阵列进行了电磁仿真，图9为模式一、四和七在不同电容值下的回波损耗|s11|；图10为模式一、四和七在不同电容值下的峰值增益；图11表示模式一、四和七在不同电容值下的辐射效率；图12表示模式一、四和七在电容值为2.35pf(工作频率为2.06ghz)和波束e面和h面辐射方向图。从图中可以看出，本发明能够实现不同极化方式，不同工作频率以及不同方向图的切换，且根据图给出的信息能够得到哪种模式下增益大，哪种模式下回波损耗小，对实际应用有指导意义，例如，在回波损耗有较高要求的情况下，可以选择回波损耗小的工作模式进行工作。
42.通过以上技术方案，本发明通过fpga控制每个天线单元11上与馈电端口114对应的馈电网络的通断，实现不同极化方式的切换，同样fpga通过对每个天线单元11的馈电端口114独立控制，利用各个天线单元11之间的相位变化实现不同方向图，通过可调电压源118对每个天线单元11上的第一金属贴片112的施加不同的电压值，得到不同电容值，从而实现不同频率切换，整体结构简单，控制过程简单，工程上易于实现。
43.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。