一种频率捷变方向图可重构的惠更斯源电小天线

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是一种频率捷变方向图可重构的惠更斯源电小天线。

背景技术

近几年，具有可重构性能的电小天线得到了广泛的研究，一方面提出了利用变容二极管或PIN开关二极管实现具有频率捷变或频率可重构性能的电小天线，另一方面提出了利用PIN开关二极管实现方向图可重构的电小天线。但是，目前大多数的频率可重构电小天线难以实现方向图可重构特性，而具有方向图可重构的电小天线也难以实现频率可重构特性。因此，将频率和方向图可重构特性集成在电小天线中是非常具有吸引力的，这将非常适合现代空间有限的多功能无线通信平台。

发明内容

本发明的目的就是提供一种频率捷变方向图可重构的惠更斯源电小天线，该天线仅用一层介质基板且在低剖面、电小尺寸下，通过在磁偶极子和电偶极子上合理的放置两个变容二极管，实现了两个具有相同的频率捷变范围且辐射方向相反的端射惠更斯源辐射，在频率捷变范围内具有良好的辐射性能。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有单层介质基板，以及裂口型磁偶极子单元、裂口型非平衡电偶极子单元、激励源单元；

所述裂口型磁偶极子单元贴设在所述单层介质基板的上表面，且所述裂口型磁偶极子单元的中心与所述单层介质基板的中心在竖直方向上重合；

用于在裂口型磁偶极子单元上激励起环形电流的激励源单元以及裂口型非平衡电偶极子单元均贴设在单层介质基板的下表面；

所述裂口型磁偶极子单元、裂口型非平衡电偶极子单元均设置有一个用于改变裂口型磁偶极子单元与裂口型非平衡电偶极子单元相位关系的变容二极管。

进一步，所述裂口型磁偶极子单元包括一个变容二极管、一个金属圆环、第一高频绕线电感、第一直流偏执线、第一通槽、第二通槽、第一安装槽、第一金属贴片；

所述金属圆环贴设在单层介质基板上表面上，所述金属圆环上开设有尺寸不同均贯穿金属圆环内外壁的第一通槽、第二通槽，所述第一通槽、第二通槽的中心线在同一轴线上且通过金属圆环的圆心，所述第一安装槽的两端分别连接在所述第二通槽的两侧壁上，用于连续调节裂口型磁偶极子单元电容值的一个变容二极管安装在所述第一安装槽内；

所述金属圆环的侧壁与两个第一直流偏执线的一端连接，两个第一直流偏执线均贴设在单层介质基板上表面，且两个第一直流偏执线沿金属圆环的中心中心对称设置，两个第一直流偏执线的另一端均设置有两个第一金属贴片，用于阻止射频信号进入直流偏执网络的第一高频绕线电感安装在所述两个金属贴片之间。

进一步，所述激励源单元包括两个第一矩形金属条带；

两个第一矩形金属条带沿与第二通槽中心线对称贴设在单层介质基板的下表面，且两个第一矩形金属条带的对称中心位于所述第二通槽的正下方。

进一步，所述裂口型非平衡电偶极子单元包括一个变容二极管、一个非平衡偶极子、第二高频绕线电感、第二直流偏执线、第二安装槽、第二金属贴片；

所述非平衡偶极子贴设于单层介质基板的下表面，所述非平衡偶极子包括沿所述第二通槽中心线对称贴设在单层介质基板的下表面的两个第二矩形金属条带，以及分别安装在两个第二矩形金属条带两端的两个非平衡U型条带；

所述两个第二矩形金属条带中间通过矩形第二安装槽连接，所述第二安装槽内安装有一个用于连续调节裂口型非平衡电偶极子单元电容值的一个变容二极管；

两个第二矩形金属条带的侧壁均与一个第二直流偏执线的一端连接，两个第二直流偏执线均贴设在单层介质基板下表面，且两个第二直流偏执线沿所述第二安装槽的中心中心对称设置，两个第二安装槽的另一端均设置有两个第二金属贴片，两个第二金属贴片之间均安装有用于阻止射频信号进入直流偏执网络的第二高频绕线电感。

进一步，所述单层介质基板材质为Rogers5880，半径R1为26mm—27mm的圆形结构，厚度为0.508mm；

所述金属圆环的内半径R2为12mm—12.8mm，外半径R3为16.5mm—17.5mm；

所述第一直流偏执线的长度L1为3mm—4mm，宽度W1为0.2mm—0.4mm；

所述第一通槽的间距为g1为0.7mm—1.1mm；

所述第二通槽的间距为g2为1mm—1.4mm；

所述第一安装槽的长度为L2为1mm—1.4mm；

所述第一金属贴片的长度L3为1mm—1.4mm，宽度W3为0.9mm—1.2mm；

所述第一矩形金属条带的长度L4为5.5mm—6mm，宽度W4为2.3mm—2.7mm。

所述第二矩形金属条带的长度L5为19mm—21mm，宽度W5为0.9mm—1.2mm；

所述非平衡U型条带的两端距所述第二矩形金属条带中心线的长度L61为15mm—16mm、L62为7mm—8mm，所述非平衡U型条带与所述第二矩形金属条带中心线平行的两条矩形边长度L63均为10.4mm；所述非平衡U型条带的宽度W6均为1mm—1.4mm；

所述第二直流偏执线的长度为L7为3.5mm—4mm，宽度W7为0.2mm—0.4mm；

所述第二安装槽的长度为L8为1mm—1.4mm；

所述第二金属贴片的长度L9为1mm—1.4mm，宽度W9为0.9mm—1.2mm；

所述第二矩形金属条带的中心线距所述单层介质基板中心距离L10为5.5mm—6.0mm；

所述金属圆环、第一直流偏执线、第一安装槽、第一金属贴片、第一矩形金属条带、第二矩形金属条带、非平衡U型条带、第二直流偏执线、第二安装槽第二金属贴片均为厚度相同的覆铜薄膜。

进一步，所述单层介质基板材质为Rogers5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，半径R1为26.5mm的圆形结构，厚度为0.508mm；

所述金属圆环的内半径R2为12.4mm，外半径R3为16.9mm；

所述第一直流偏执线的长度L1为3.4mm，宽度W1为0.2mm；

所述第一通槽的间距为g1为0.9mm；

所述第二通槽的间距为g2为1.2mm；

所述第一安装槽的长度为L2为1.2mm；

所述第一金属贴片的长度L3为1.2mm，宽度W3为1.0mm；

所述第一矩形金属条带的长度L4为5.8mm，宽度W4为2.5mm；

所述第二矩形金属条带的长度L5为20.05mm，宽度W5为1.0mm；

所述非平衡U型条带的两端距所述第二矩形金属条带中心线的长度L61为15.85mm、L62为7.85mm，所述非平衡U型条带与所述第二矩形金属条带中心线平行的两条矩形边长度L63均为10.4mm，所述非平衡U型条带的宽度W6均为1.2mm；

所述第二直流偏执线的长度为L7为3.8mm，宽度W7为0.2mm；

所述第二安装槽的长度为L8为1.2mm；

所述第二金属贴片的长度L9为1.2mm，宽度W9为1.0mm；

所述第二矩形金属条带的中心线距所述单层介质基板中心距离L10为5.8mm；

所述金属圆环、第一直流偏执线、第一安装槽、第一金属贴片、第一矩形金属条带、第二矩形金属条带、非平衡U型条带、第二直流偏执线、第二安装槽、第二金属贴片均为厚度为0.017mm的覆铜薄膜。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1)本发明利用近场寄生谐振技术使该天线结构紧凑，尺寸小，易于集成到无线通讯系统中；2)本发明通过在磁偶极子和电偶极子上加载两个变容二极管实现了两个具有相同的频率捷变范围且辐射方向相反的端射惠更斯源辐射，在频率捷变范围内具有良好的辐射性能；3)本发明在电小尺寸下实现频率捷变和方向图可重构特性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的仰视图；

图4为本发明图2中A处的局部放大图；

图5为本发明图2中B处的局部放大图；

图6为本发明图3中C处的局部放大图；

图7为本发明图3中D处的局部放大图；

图8为本发明所述天线辐射方向沿+X轴时的反射系数|S

图9为本发明所述天线辐射方向沿-X轴时的反射系数|S

图10为本发明所述天线辐射方向沿+X轴时两个变容二极管的电容值和频率的关系曲线图；

图11为本发明所述天线辐射方向沿-X轴时两个变容二极管的电容值和频率的关系曲线图；

图12为本发明所述天线工作在1.472GHz，辐射方向沿+X轴时天线E平面、H平面辐射场方向图；

图13为本发明所述天线工作在1.509GHz，辐射方向沿+X轴时天线E平面、H平面辐射场方向图；

图14为本发明所述天线工作在1.55GHz，辐射方向沿+X轴时天线E平面、H平面辐射场方向图；

图15为本发明所述天线工作在1.473GHz，辐射方向沿-X轴时天线E平面、H平面辐射场方向图；

图16为本发明所述天线工作在1.509GHz，辐射方向沿-X轴时天线E平面、H平面辐射场方向图；

图17为本发明所述天线工作在1.551GHz，辐射方向沿-X轴时天线E平面、H平面辐射场方向图；

图中：1-单层介质基板；2-裂口型磁偶极子单元；3-裂口型非平衡电偶极子单元；4-激励源单元；5-变容二极管；21-金属圆环；22-第一高频绕线电感；23-第一直流偏执线；24-第一通槽；25-第二通槽；26-第一安装槽；27-金属贴片；28-第一矩形金属条带；31-非平衡偶极子；32-第二高频绕线电感；33-第二直流偏执线；34-第二安装槽；35-第二金属贴片；311-第二矩形金属条带；312-非平衡U型条带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1—7所示，一种频率捷变方向图可重构的惠更斯源电小天线，包括单层介质基板1，以及裂口型磁偶极子单元2、裂口型非平衡电偶极子单元3、激励源单元4；

所述裂口型磁偶极子单元2贴设在所述单层介质基板1的上表面，且所述裂口型磁偶极子单元2的中心与所述单层介质基板1的中心在竖直方向上重合；

用于在裂口型磁偶极子单元2上激励起环形电流的激励源单元4以及裂口型非平衡电偶极子单元3均贴设在单层介质基板1的下表面；

所述裂口型磁偶极子单元2、裂口型非平衡电偶极子单元3均设置有一个用于改变裂口型磁偶极子单元2与裂口型非平衡电偶极子单元3相位关系的变容二极管5。

作为本发明的一种实施例，所述裂口型磁偶极子单元2包括一个变容二极管5、一个金属圆环21、第一高频绕线电感22、第一直流偏执线23、第一通槽24、第二通槽25、第一安装槽26、第一金属贴片27；

所述金属圆环21贴设在单层介质基板1上表面上，所述金属圆环21上开设有尺寸不同均贯穿金属圆环21内外壁的第一通槽24、第二通槽25，所述第一通槽24、第二通槽25的中心线在同一轴线上且通过金属圆环21的圆心，所述第一安装槽26的两端分别连接在所述第二通槽25的两侧壁上，用于连续调节裂口型磁偶极子单元2电容值的一个变容二极管5安装在所述第一安装槽26内；

所述金属圆环21的侧壁与两个第一直流偏执线23的一端连接，两个第一直流偏执线23均贴设在单层介质基板1上表面，且两个第一直流偏执线23沿金属圆环21的中心中心对称设置，两个第一直流偏执线23的另一端均设置有两个第一金属贴片27，用于阻止射频信号进入直流偏执网络的第一高频绕线电感22安装在所述两个金属贴片27之间。

作为本发明的一种实施例，所述激励源单元4包括两个第一矩形金属条带41；

两个第一矩形金属条带41沿与第二通槽25中心线对称贴设在单层介质基板1的下表面，且两个第一矩形金属条带41的对称中心位于所述第二通槽25的正下方。

作为本发明的一种实施例，所述裂口型非平衡电偶极子单元3包括一个变容二极管5、一个非平衡偶极子31、第二高频绕线电感32、第二直流偏执线33、第二安装槽34、第二金属贴片35；

所述非平衡偶极子31贴设于单层介质基板1的下表面，所述非平衡偶极子31包括沿所述第二通槽25中心线对称贴设在单层介质基板1的下表面的两个第二矩形金属条带311，以及分别安装在两个第二矩形金属条带311两端的两个非平衡U型条带312；

所述两个第二矩形金属条带311中间通过矩形第二安装槽34连接，所述第二安装槽34内安装有一个用于连续调节裂口型非平衡电偶极子单元3电容值的一个变容二极管5；

两个第二矩形金属条带311的侧壁均与一个第二直流偏执线33的一端连接，两个第二直流偏执线33均贴设在单层介质基板1下表面，且两个第二直流偏执线33沿所述第二安装槽34的中心中心对称设置，两个第二安装槽34的另一端均设置有两个第二金属贴片35，两个第二金属贴片35之间均安装有用于阻止射频信号进入直流偏执网络的第二高频绕线电感32。

作为本发明的一种实施例，设置所述单层介质基板1材质为Rogers5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，半径R1为26.5mm的圆形结构，厚度为0.508mm；

所述金属圆环21的内半径R2为12.4mm，外半径R3为16.9mm；

所述第一直流偏执线23的长度L1为3.4mm，宽度W1为0.2mm；

所述第一通槽24的间距为g1为0.9mm；

所述第二通槽25的间距为g2为1.2mm；

所述第一安装槽26的长度为L2为1.2mm；

所述第一金属贴片27的长度L3为1.2mm，宽度W3为1.0mm；

所述第一矩形金属条带28的长度L4为5.8mm，宽度W4为2.5mm。

所述第二矩形金属条带311的长度L5为20.05mm，宽度W5为1.0mm；

所述非平衡U型条带312的两端距所述第二矩形金属条带311中心线的长度L61为15.85mm、L62为7.85mm，所述非平衡U型条带312与所述第二矩形金属条带311中心线平行的两条矩形边长度L63均为10.4mm；所述非平衡U型条带312的宽度W6均为1.2mm；

所述第二直流偏执线33的长度为L7为3.8mm，宽度W7为0.2mm；

所述第二安装槽34的长度为L8为1.2mm；

所述第二金属贴片35的长度L9为1.2mm，宽度1.0mm；

所述第二矩形金属条带311的中心线距所述单层介质基板1中心距离L10为5.8mm；

所述金属圆环21、第一直流偏执线23、安装槽26、第一金属贴片27、第一矩形金属条带28、第二矩形金属条带311、非平衡U型条带312、第二直流偏执线33、第二安装槽34第二金属贴片35均为厚度为0.017mm的覆铜薄膜。

依照上述参数，使用HFSS对所设计的频率捷变方向图可重构的惠更斯源电小天线的反射系数|S

图8为本发明的天线辐射方向沿+X轴时的反射系数|S

图9为本发明的天线辐射方向沿-X轴时的反射系数|S

图10为本发明的天线辐射方向沿+X轴时两个变容二极管的电容值和频率的关系曲线图，如图所示，C

图11为本发明的天线辐射方向沿-X轴时两个变容二极管的电容值和频率的关系曲线图，如图所示，C

图12—14为本发明的天线分别工作在1.472GHz、1.509GHz、1.55GHz时，辐射方向沿+X轴时天线E平面、H平面辐射场方向图。

图15—17为本发明的天线分别工作在1.473GHz、1.509GHz、1.551GHz时，辐射方向沿-X轴时天线E平面、H平面辐射场方向图。

仿真结果验证了该天线设计的合理性，通过改变变容二极管的电容值，从而改变磁偶极子和电偶极子的相位关系，实现两个辐射方向相反的惠更斯源辐射并具有相同的频率捷变范围，同时在频率捷变范围内具有较高的增益和辐射效率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。