一种频率和方向图可调控的天线装置

1.本实用新型涉及无线通信领域，特别涉及一种频率和方向图可调控的天线装置。


背景技术：

2.随着无线通信的快速发展，空间中的电磁环境越来越复杂，通信系统对带宽和方向图可调控的需求越来越广泛。
3.目前，方向图可调控的天线以天线阵形态为主，通过在每一个天线单元的射频通路上添加相移单元，实现对每一路射频信号的相位控制，从而实现波束成型和方向重构，但是这种相控阵天线结构复杂，价格昂贵，主要应用于雷达装置上。而现有民用领域的其他无源可重配置天线则可重配置频点和方向角很少，不能够满足宽带频率可调和360度波束扫描的性能要求。
4.因此，本发明提出一种在超宽带频段内频率可调控，且可实现平面内360度波束扫描的天线装置，具有重要的应用价值。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提出一种频率和方向图可调控的天线装置。
6.本实用新型提出的一种频率和方向图可调控的天线装置，包含超宽带天线单元和圆筒天线罩两个组成部分。
7.本实用新型提出的天线装置中的超宽带天线单元，其特征在于：所述超宽带天线单元位于圆筒天线罩的几何中心，由fr4介质板、椭圆辐射贴片、微带馈线、接地板组成；所述椭圆辐射贴片、微带线和两个接地板均印制在所述介质板的正面，两个接地板位于微带线的两侧；所述位于介质板正面的微带馈线，用于连接所述椭圆辐射贴片和信号线；所述位于带状馈线两侧的接地贴片，用于连接接地线；所述圆筒天线罩外表面一周等间距排布若干列金属贴片，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接；所述圆筒天线罩不含上顶面与下底面，其材质为聚酰亚胺柔性材料，表面等间距排布的矩形金属贴片列数为3的整数倍。
8.本实用新型提出的天线装置，实现全向辐射、快速切换的电可控平面360
°
波束扫描，可减小波束成型类天线的成本与体积，同时提高通信效率。
9.本实用新型专利实现的技术方法如下：
10.本实用新型提出的天线装置包含超宽带天线单元和圆筒天线罩。
11.如图1所示，本实用新型提出的超宽带天线，包括：fr4介质板1、金属椭圆辐射贴片2、金属微带馈线3、金属接地板4组成；所述金属椭圆辐射贴片、金属微带线和两个金属接地板均印制在所述fr4介质板的正面；所述位于介质板正面的金属微带馈线，从金属椭圆辐射贴片往下延伸到fr4介质板的底端，用来连接所述金属椭圆辐射贴片和信号线；所述的两个金属接地板位于微带线的两侧，形状为矩形，金属接地板底端与fr4介质板底端对齐，金属
接地板外侧与fr4介质板外侧对齐，且每个矩形金属接地板远离微带线的上顶点处减去一个小的矩形窗口。通过调节该矩形窗口的尺寸，即矩形窗口的长和宽，可以实现对该超宽带天线单元阻抗的调节，从而获得良好的天线阻抗匹配，实现高辐射效率。
12.如图2所示，本实用新型中提出的超宽带天线的fr4介质板的宽w＝3/4*λ0，长l＝6/7*λ0，高h＝1/50*λ0；所述金属椭圆辐射贴片的长轴a＝1/3*λ0，短轴b＝1/4*λ0；所述金属微带馈线的宽度w3＝1/10*λ0；所述金属接地板的宽w1＝12/37*λ0，长l1＝1/3*λ0，远离微带线的上顶点所减去的矩形窗口的长w2＝1/18*λ0，宽l2＝1/37*λ0；所述的金属微带线与两侧金属接地板之间的间距s＝1/125*λ0，其中λ0为所设计天线中心频率在自由空间中的波长，其波长计算方法为λ0＝c/f0,c为自由空间中电磁波的传播速度，即3*108m/s，f0为所设计天线的中心频率，通过中央微带馈电线引入馈电电流，金属微带馈电线两侧的接地板接地。
13.如图3、4、5所示，所述超宽带天线位于圆筒天线罩的几何中心。
14.如图6所示，本实用新型提出的圆筒天线罩，包括：聚酰亚胺柔性介质板5，矩形金属贴6，射频二极管7，所述圆筒天线罩高h＝4*λ0，直径d＝16/5*λ0；圆筒天线罩不含上顶面与下底面，表面一周等间距(1/4*λ0)排布36列金属贴片，每列等间隔(1/18*λ0)排布24个金属贴片，每个金属贴片长1/9*λ0，宽1/37*λ0，每列最下面的金属贴片距离圆筒天线罩下底部以及最上面的金属贴片距离圆筒天线罩上顶部的距离均为d1＝2/15*λ0，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接，每列焊接有23个射频二极管。
15.天线装置的控制方法如下：对于天线罩表面排布的36列金属贴片之间的射频二极管，全部施加负电压，使二极管截止，此时天线装置用于无线电全向监测；对其中任意相邻的12列金属贴片之间的射频二极管全部施加正电压，使二极管导通，并对剩余相邻的24列金属贴片之间的射频二极管施加负电压，使二极管截止，此时可以在天线罩中心点与给予负电压的24列二极管在天线罩上对应圆弧的中点的连线上得到聚集的波束，方向朝向天线罩外侧。通过给予天线罩表面上的不同位置相邻的12列二极管正电压，使二极管导通，并给予剩余24列二极管负电压，使二极管截止，从而在不同方向获得聚集的波束，实现平面360
°
波束扫描，用于无线电定向监测与测向。
附图说明
16.图1为本实用新型实施例提供的超宽带天线结构立体视图
17.图2为本实用新型实施例提供的超宽带天线结构平面视图
18.图3为本实用新型实施例提供的天线整体装置结构立体剖切视图
19.图4为本实用新型实施例提供的天线整体装置结构俯视剖切视图
20.图5为本实用新型实施例提供的天线整体装置结构侧视剖切视图
21.图6为本实用新型实施例提供的天线罩结构图
22.图7为本实用新型实施例提供的超宽带天线反射系数s
11
仿真图
23.图8为本实用新型实施例提供的超宽带天线辐射方向图仿真图
24.图9为本实用新型实施例提供的天线整体装置反射系数s
11
仿真图
25.图10为本实用新型实施例提供的天线整体装置最高与最低增益对比图
26.图11为本实用新型实施例提供的天线整体装置全向波束扫描仿真图
具体实施方式
27.以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体介绍。
28.如图1所示，本实用新型实施例提供的超宽带天线，包括：fr4介质板1、金属椭圆辐射贴片2、金属微带馈线3、金属接地板4组成；所述金属椭圆辐射贴片、金属微带线和两个金属接地板均印制在所述fr4介质板的正面；所述位于介质板正面的金属微带馈线，从金属椭圆辐射贴片往下延伸到fr4介质板的底端，用来连接所述金属椭圆辐射贴片和信号线；所述的两个金属接地板位于微带线的两侧，形状为矩形，金属接地板底端与fr4介质板底端对齐，金属接地板外侧与fr4介质板外侧对齐，且每个矩形金属接地板远离微带线的上顶点处减去一个小的矩形窗口。通过调节该矩形窗口的尺寸，即矩形窗口的长和宽，可以实现对该超宽带天线单元阻抗的调节，从而获得良好的天线阻抗匹配，实现高辐射效率。
29.如图2所示，本实用新型优选实施例提供的超宽带天线采用的参数设置包括：fr4介质板的长度w＝28mm，高l＝32mm，宽h＝0.74mm；所述金属椭圆辐射贴片的长轴2*a＝25.2mm，短轴2*b＝18mm；所述金属微带馈线的宽度w3＝3.5mm；所述金属接地板的宽w1＝11.95mm，长l1＝12.95mm，远离微带线的上顶点所减去的矩形窗口的长w2＝2mm，宽l2＝1mm；所述的金属微带线与两侧金属接地板之间的间距s＝0.3mm，通过中央微带馈电线引入馈电电流，从金属微带馈电线两侧的接地板接地。
30.如图3、4、5所示，所述超宽带天线位于圆筒天线罩的几何中心。
31.如图6所示，本实用新型优选实施例提供的圆筒天线罩参数设置包括：所述圆筒天线罩高h＝152mm，直径d＝120mm；圆筒天线罩不含上顶面与下底面，表面一周等间距(9.46mm)排布36列金属贴片，每列等间隔(2mm)排布24个金属贴片，每个金属贴片长4mm，宽1mm，每列最下面的金属贴片距离圆筒天线罩下底部以及最上面的金属贴片距离圆筒天线罩上顶部的距离均为d1＝5mm，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接，每列焊接有23个射频二极管。
32.天线装置的控制方法如下：对于天线罩表面排布的36列金属贴片之间的射频二极管，全部施加负电压，使二极管截止，此时天线装置用于无线电全向监测；对其中任意相邻的12列金属贴片之间的射频二极管全部施加正电压，使二极管导通，并对剩余相邻的24列金属贴片之间的射频二极管施加负电压，使二极管截止，此时可以在天线罩中心点与给予负电压的24列二极管在天线罩上对应圆弧的中点的连线上得到聚集的波束，方向朝向天线罩外侧。通过给予天线罩表面上的不同位置相邻的12列二极管正电压，使二极管导通，并给予剩余24列二极管负电压，使二极管截止，从而在不同方向获得聚集的波束，实现平面360
°
波束扫描，用于无线电定向监测与测向。
33.上述本实用新型优选实施例的性能表现包括：超宽带天线反射系数s11如图7所示，工作频段为3.2ghz-12.6ghz。超宽带天线从3.5ghz到4.5ghz以0.2ghz为步进的h面辐射方向图如图8所示，可见超宽带天线在3.5ghz到4.5ghz有着很好的全向性。所述圆筒天线罩不含上顶面与下底面，其材质为聚酰亚胺柔性材料。圆筒天线罩外表面一周等间距排布36列金属贴片，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接，每列有24个金属贴片和23个射频二极管。所述天线装置的控制方法：当对于天线罩表面排布的36列金属贴片之间的射频二极管，全部施加负电压，使二极管截止，此时天线装置的反射系数s11如图9所示，可以在3.5ghz-11.8ghz频段上进行无线电全向监测；当对其中任意相邻的12列金属贴片之间的射
频二极管全部施加正电压，使二极管导通，并对剩余相邻的24列金属贴片之间的射频二极管施加负电压，使二极管截止，此时可以在天线罩中心点与给予负电压的24列二极管在天线罩上对应圆弧的中点的连线上得到聚集的波束，方向朝向天线罩外侧。天线装置在单一方向上得到最大/最小增益的方向图如图10所示，天线装置定向波束的最大增益为10.5dbi，最小增益为9dbi。通过给予天线罩表面上的不同位置相邻的12列二极管正电压，使二极管导通，并给予剩余24列二极管负电压，使二极管截止，从而在不同方向获得聚集的波束，实现在3.5ghz-4.5ghz频段平面360
°
波束扫描，天线装置360
°
波束扫描的效果图如图11所示，此天线装置可用于无线电定向监测与测向。本实用新型通过天线装置，实现全向辐射、快速切换的电可控平面360
°
波束扫描以及无线电监测与测向天线装置一体化，可减少无线电测向装置的成本与体积，同时提高测向效率。

技术特征：
1.一种频率和方向图可调控的天线装置，其特征在于：包括超宽带天线单元、圆筒天线罩；所述超宽带天线单元位于圆筒天线罩的几何中心，由介质板、椭圆辐射贴片、微带馈线、接地贴片组成；所述椭圆辐射贴片、微带馈线和接地贴片均印制在所述介质板的正面，接地贴片数量为二片，对称分布于微带馈线的两侧；所述圆筒天线罩外表面一周等间距排布若干列金属贴片，每列上纵向分布的相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接。2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：所述椭圆辐射贴片、微带馈线、接地贴片均为导体材料。3.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：所述超宽带天线单元的介质板由fr4材料构成；所述位于介质板正面的微带馈线，用于连接所述椭圆辐射贴片和信号线；所述位于微带馈线两侧的接地贴片，用于连接接地线。4.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于：所述介质板的宽w=3/4*λ0，长l=6/7*λ0，高h=1/50*λ0；所述椭圆辐射贴片的长轴a=1/3*λ0，短轴b=1/4*λ0；所述微带馈线的宽度w3=1/10*λ0；所述接地贴片的宽w1=12/37*λ0，长l1=1/3*λ0，远离微带馈线的上顶点所减去的矩形窗口的长w2=1/18*λ0，宽l2=1/37*λ0；所述的微带馈线与接地贴片之间的间距s=1/125*λ0，其中λ0为所设计天线中心频率在自由空间中的波长，其波长计算方法为λ0= c/f0, c为自由空间中电磁波的传播速度，即3*108m/s，f0为所设计天线装置在超宽带模式下的中心频率。5.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：所述圆筒天线罩不含上顶面与下底面，其材质为聚酰亚胺柔性材料。6.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：所述圆筒天线罩表面等间距排布的矩形金属贴片列数为3的整数倍。7.根据权利要求5或6所述的天线装置，其特征在于：所述圆筒天线罩高h=4*λ0，直径d=16/5*λ0；圆筒天线罩不含上顶面与下底面，表面一周等间距（1/4*λ0）排布金属贴片，每列等间隔（1/18*λ0）排布多个金属贴片，每个金属贴片长1/9*λ0，宽1/37*λ0，每列最下面的金属贴片距离圆筒天线罩下底部以及最上面的金属贴片距离圆筒天线罩上顶部的距离均为d1=2/15*λ0。

技术总结
本发明公开了一种频率和方向图可调控的天线装置。天线装置包括超宽带天线单元、圆筒天线罩。超宽带天线单元位于天线罩的中心，由介质板、椭圆辐射贴片、微带馈线、接地贴片组成。天线罩外表面等间距排布若干列金属贴片，每列相邻金属贴片之间焊有射频二极管连接。天线装置的控制方法：通过选择对分布在特定行和列上的二极管施加负电压使其截止，对其他位置二极管施加正电压，使其导通，则可对所属天线装置工作状态进行控制，从而达到超宽带全向、窄带全向，以及窄带平面360


技术研发人员：洪卫军
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2021.06.17
技术公布日：2022/5/25