一種波束方向可切換天線的制作方法
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種波束方向可切換天線，是由正六邊形的底面及印制有輻射體的與底面成一定夾角的六塊梯形側面構成的“蝶形”天線，在饋電點的周圍等角度連接著六個隔直電容，各隔直電容分別向外依次連接PIN二極管、金屬饋線、準八木天線；上述隔直電容與PIN二極管的共節(jié)點引出一條高阻抗金屬線，兩相鄰共節(jié)點引出的金屬線與同一電感相連，該電感另一端由介質基板的金屬化通孔連接至金屬貼片地板；金屬饋線側面引出一電感，電感的另一端連接一降壓電阻。5V直流控制信號源通過控制PIN二極管的通斷實現(xiàn)六個波束狀態(tài)之間的切換，從而達到天線輻射覆蓋整個上半空間、增加工作帶寬、屏蔽對下半空間的輻射的目的。
【專利說明】—種波束方向可切換天線
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電子【技術領域】，特別涉及帶有PIN 二極管開關的波束方向可切換的天線。
【背景技術】
[0002]由于越來越多的信息內容需要傳輸，現(xiàn)代通信系統(tǒng)對無線通信中的信息傳輸速率要求也越來越高，但是由于多徑衰落的存在，數(shù)據(jù)傳輸速率隨著信號傳輸距離的增加而減小。大量研究表明，恰當使用可切換波束的天線是一條解決此問題的途徑?？汕袚Q波束天線能根據(jù)通信環(huán)境的變化實時改變發(fā)射和接收天線的波束方向，從而有效減弱噪聲干擾，對抗多徑衰落，提高信息傳輸速率。在車載、機載或者天線下方具有其他射頻電路等應用場景下，天線應該避免輻射向下半空間，以減少對于其它微波電路的干擾。
[0003]文 獻“Compact Switched-Beam Antenna Employing a Four-Element SlotAntenna Array for Digital Home Applications (利用四元縫隙天線陣組成的緊湊波束可切換天線及其在數(shù)字家庭中的應用)”《IEEE Transactions on Antennas andPropagation》[J].Sept.2008:2929 - 2936,Ming-1u Lai,Tzung-Yuffu,Jung-ChinHsieh,etal.設計了一種四角開槽的正方形波束方可切換天線(如圖1)。該天線由絕緣介質基板及印制在其下方的金屬地板、印制在絕緣介質基板上表面的控制電路、在金屬地板四角開設的四個“L”形槽的發(fā)射體組成，饋電點位于天線正中心，采用同軸饋線從背面對天線進行饋電，饋電點四周焊接四個二極管，每個二極管的另一端都焊接在一端饋線上，饋線的另一端延伸至地板“L”形槽的上方，另外，該天線還設計了含二極管開關的直流偏置電路，通過切換開關，天線可以實現(xiàn)八種波束指向并覆蓋天線地板所在平面，但由于發(fā)射體輻射角度的限制，該天線不能覆蓋其正上方的部分圓錐形空間；由于該天線采用的是地板槽作為發(fā)射體，而槽天線固有的特性使其工作頻帶較窄，此天線的工作頻帶為100MHz，不能滿足寬帶通信的要求；另外，該天線的四個輻射槽均位于金屬地板上，將對天線的上方和下方同時輻射能量，由于該天線采用的是背饋方式，信號處理模塊位于天線的下方，天線對下半空間的輻射將會使信號處理模塊等其他射頻電路產(chǎn)生干擾甚至燒壞電路。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的是針對【背景技術】存在的缺陷，研究設計出一種波束方向可切換天線，該天線利用位于本體上六組含控制電路及準八木天線的單元天線，并通過控制電路中六個PIN 二極管開關的通斷實現(xiàn)六個不同方向波束之間的切換，從而達到天線發(fā)射波束覆蓋其上半空間、屏蔽對下半空間的輻射、增加工作帶寬的目的。
[0005]本發(fā)明解決方案是采用正六邊形絕緣介質基板底面及與其成相同夾角的六塊梯形絕緣介質基板側面圍成的“碟形”天線本體代替【背景技術】中的正方形平板天線本體，從而使天線輻射能覆蓋上半空間且屏蔽對下半空間的輻射；同時將準八木天線分設于各梯形絕緣介質基板上作為發(fā)射體、以代替【背景技術】中設于地板上的“L”形槽形發(fā)射體，從而增加天線的工作頻帶寬度。本發(fā)明在“碟形”天線本體中正六邊形絕緣介質基板中心設置饋電點，在絕緣介質基板的下表面設置一金屬地板、并將其上表面等分為以饋電點為中心的六個三角形區(qū)域；在每個三角形區(qū)域內的基板表面上分別設一控制電路，而在與對應于各三角形區(qū)域連接的梯形絕緣介質基板上分別設置一準八木天線，該準八木天線與對應三角形區(qū)域內的控制電路通過導線連接，控制電路同時通過隔直電容與饋電點連接、通過接地電感與金屬地板連接，從而分別組成相對獨立的單元天線；工作時分別通過控制單元天線中PIN二極管開關的通斷實現(xiàn)各單元天線的轉換。因而本發(fā)明波束方向可切換天線包括:天線本體、位于本體上的控制電路及發(fā)射體、同軸饋線，其特征在于:天線本體為正六邊形絕緣介質基板底面及與其成相同夾角的六塊梯形絕緣介質基板側面圍成的“碟形”天線本體，正六邊形絕緣介質基板下表面設置一金屬地板，上表面中心位置設置一饋電點，并將其上表面等分為以饋電點為中心的六個三角形區(qū)域；在每個三角形區(qū)域內的基板表面上分別設一控制電路，而在與對應于各三角形區(qū)域連接的梯形絕緣介質基板上分別設一發(fā)射體，該發(fā)射體采用準八木天線，該準八木天線與對應三角形區(qū)域內的控制電路通過導線連接，控制電路同時通過隔直電容與饋電點連接，從而分別組成相對獨立的單元天線；同軸饋線由金屬地板下方對天線饋電，其外導體與金屬地板連接，內導體穿過金屬地板與正六邊形絕緣介質基板上表面的饋電點連接。
[0006]所述波束方向可切換天線，其中各單元天線中控制電路由饋電點到準八木天線依次設置隔直電容、PIN 二極管、導線；隔直電容與PIN 二極管共接點處通過一接地電感與金屬地板連接，相鄰單元天線使用同一接地電感，導線上另外設置一條依次連接電感和電阻的支路。
[0007]各梯形絕緣介質基板與六邊形絕緣介質基板的夾角為120°?150°。
[0008]每個準八木天線由兩個金屬貼片振子和三個金屬引向貼片組成，兩個金屬貼片振子分別印制在梯形絕緣介質基板的上表面和下表面且位于導線的兩側，下表面金屬貼片振子通過導線與金屬地板相連，三個金屬引向貼片等距離均勻印制在梯形絕緣介質基板的上表面，位于金屬貼片振子的外側。
[0009]本發(fā)明由天線本體、位于本體上的控制電路及準八木天線構成的“碟形”天線，通過分別控制電路中六個PIN 二極管開關的通斷實現(xiàn)六個波束狀態(tài)之間的切換，從而該天線具有輻射覆蓋上半空間、屏蔽對下半空間輻射、增加工作帶寬的效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為【背景技術】四角開槽的正方形天線的結構示意圖；
[0011]圖2為本發(fā)明一種波束方向可切換天線的俯視結構示意圖；
[0012]圖3為本發(fā)明一種波束方向可切換天線的側面結構示意圖；
[0013]圖4為本發(fā)明一種波束方向可切換天線的回波損耗仿真圖；
[0014]圖5為本發(fā)明一種波束方向可切換天線的一個工作模式在5.4GHz的仿真方向圖；
[0015]其中圖5-1是天線的一個工作模式在5.4GHz的3D仿真方向圖，圖5_2是天線的一個工作模式在5.4GHz的YOZ面仿真方向圖，圖5-3是天線的一個工作模式在5.4GHz的XOY面仿真方向圖。[0016]圖中:1.PIN 二極管，2.降壓電阻，3.電感，4.金屬地板5.隔直電容，6.第二段片狀導線，7.梯形絕緣介質基板上表面金屬貼片振子，8.梯形絕緣介質基板下表面金屬貼片振子，9.第一金屬引向貼片，10.第二金屬引向貼片，11.第三金屬引向貼片，12.同軸饋線，
13.梯形絕緣介質基板，14.六邊形絕緣介質基板，15.第一段片狀導線，16.高阻抗金屬線，
17.中心金屬貼片。
【具體實施方式】
[0017]梯形絕緣介質基板13和正六邊形絕緣介質基板14為相對介電常數(shù)2.65、厚度
0.8mm的聚四氟乙烯,正六邊形絕緣介質基板14的邊長為32mm,梯形絕緣介質基板13的上下底分別為32_和60_，梯形絕緣介質基板13和正六邊形絕緣介質基板14成120°角；金屬地板4及絕緣介質基板上方的金屬貼片都是厚度為0.07mm的銅箔，金屬地板4的邊長為32mm ;同軸饋線12的特性阻抗為50 Ω。中心正六邊形金屬貼片17的邊長為3mm，第一段片狀導線15的尺寸為4.4*19.5mm2 ;第二段片狀導線6的尺寸為8*0.7mm2 ;高阻抗金屬線16的尺寸為11*0.4mm2。電感3的值為ImH ;降壓電阻2的阻值為2.2kQ ;隔直電容5的值為10pF。金屬焊片尺寸均為2*2mm2。梯形絕緣介質基板上表面金屬貼片振子7和梯形絕緣介質基板下表面金屬貼片振子8的尺寸均為12.2*1.Smm2 ;第一個金屬引向貼片9的尺寸為15.4*2mm2 ;第二個金屬引向貼片10的尺寸為14*2mm2 ;第三個金屬引向貼片11的尺寸為11.7*2mm2 ;金屬貼片振子7與第一金屬引向貼片9距離為2mm、相鄰各金屬引向貼片之間間隔為2mm。
[0018]將5V直流控制信號源的負極連接在金屬地板4上，正極連接在降壓電阻2的一端，利用直流控制信號源控制PIN 二極管I的通斷，當二極管的其中一個導通而其他的均截止時，即為一種天線工作模式，此天線陣共有六種工作模式，每種工作模式對應一個波束指向。由于天線結構對稱，六種工作模式下的回波損耗相同，仿真結果如圖4所示，天線的工作頻段為5.13GHz-5.55GHz ;天線的其中一種工作模式的仿真方向圖如圖5所示。六種模式的主瓣指向在上半空間均勻分布，圖5-2顯示，該模式在Phi=90°面的方向圖主瓣指向為Theta=40°，3dB波瓣范圍為90° —-45°，圖5-3顯示，Theta=90°面(地板所在平面)的3dB波瓣寬度為56.2。，除金屬地板所在平面存在很小范圍的盲點外(每種模式具有3.8。的盲點)，切換六種模式可以覆蓋上半空間而不會對下半空間產(chǎn)生輻射。該實施例的仿真結果顯示此天線可以在上半空間進行全向掃描。
【權利要求】
1.一種波束方向可切換天線包括:天線本體、位于本體上的控制電路及發(fā)射體、同軸饋線，其特征在于:天線本體為正六邊形絕緣介質基板底面及與其成相同夾角的六塊梯形絕緣介質基板側面圍成的“碟形”天線本體，正六邊形絕緣介質基板下表面設置一金屬地板，上表面中心位置設置一饋電點，并將其上表面等分為以饋電點為中心的六個三角形區(qū)域；在每個三角形區(qū)域內的基板表面上分別設一控制電路，而在與對應于各三角形區(qū)域連接的梯形絕緣介質基板上分別設置一準八木天線，該準八木天線與對應三角形區(qū)域內的控制電路通過導線連接，控制電路同時通過隔直電容與饋電點連接，從而分別組成相對獨立的單元天線；同軸饋線由金屬地板下方對天線饋電，其外導體與金屬地板連接，內導體穿過金屬地板與正六邊形絕緣介質基板上表面的饋電點連接。
2.如權利要求1所述波束方向可切換天線，其特征在于:各單元天線中控制電路由饋電點到準八木天線依次設置隔直電容、PIN 二極管、導線；隔直電容與PIN 二極管共接點處通過一接地電感與金屬地板連接，相鄰單元天線使用同一接地電感，導線上另外設置一條依次連接電感和電阻的支路。
3.如權利要求1所述波束方向可切換天線，其特征在于:各梯形絕緣介質基板與六邊形絕緣介質基板的夾角為120°?150°。
4.如權利要求1所述波束方向可切換天線，其特征在于:每個準八木天線由兩個金屬貼片振子和三個金屬引向貼片組成，兩個金屬貼片振子分別印制在梯形絕緣介質基板的上表面和下表面且位于導線的兩側，下表面金屬貼片振子通過導線與金屬地板相連，三個金屬引向貼片等距離均勻印制在梯形絕緣介質基板的上表面，且位于金屬貼片振子的外側。
【文檔編號】H01Q25/04GK103618150SQ201310629736
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權日:2013年11月27日
【發(fā)明者】王任, 王秉中, 丁霄 申請人:電子科技大學