專利名稱：一種三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線的制作方法
技術領域：
本發明屬于電子技術領域，涉及天線技術，具體是指一種方向圖可重構的微帶貼 片天線。
背景技術：
可重構天線的概念最早是在1983年的專利“Frequency-Agile，Polarization DiverseMicrostrip Antennas and Frequency Scanned Arrays，，中提出。1999 年在美國 國防部高級研究計劃局(DARPA)制定名為 “Reconfigurable Aperture Program(RECAP) ” 的計劃后，許多研究機構對可重構天線進行了研究，取得了一系列的研究成果。目前可重構 天線已經成為天線領域一個非常熱門的研究方向，并在通信、雷達等許多方面獲得了應用。可重構天線按照其重構的天線特征可以分為三類頻率可重構天線、方向圖可重 構天線和頻率與方向圖同時可重構天線。通過改變天線的結構可以使天線在工作頻率、輻 射方向圖或者極化方式等多個參數中的一種或者多種發生改變，從而使一個天線能實現多 種天線功能。改變天線的輻射方向圖，可以避開噪聲源或電子干擾，提高通信質量及安全性，并 且可以將信號對準需要進行通信的用戶而節約能量。所以，在無線通信、衛星通信和雷達等 領域，對方向圖可重構天線有很大的需求。同時，由于微帶貼片天線具有體積小、剖面低、質 量輕等優點，可以很好地與載體表面共形，而不影響載體的空氣動力學特性，因此非常適合 安裝于飛行器表面。同時，微帶天線成本低、加工方便，且容易與微波集成電路集成在同一 個電路上，有利于減輕天線重量和體積，降低成本，并實現系統的高效集成。2004年，S. Zhang，G. H. Huff 等人在文章“A Pattern Reconfigurable Microstrip ParasiticArray"中利用微帶振子實現了方向圖可重構的八木天線，在那以后，研究人 員提出了多種以八木天線為基礎的方向圖可重構天線，如Xue-Song Yang, Bing-Zhong Wang 等 人 的"Yagi PatchAntenna With Dual-Band and Pattern Reconfigurable Characteristics，，禾口 Bo-shiou Ke,Tatsuo Itoh 等人的"A Two-Element Yagi-Uda Array Using Tunable Slot Antenna” 等一系列文章。Xue-Song Yang, Bing-Zhong Wang^Λ "Yagi Patch Antenna With Dual-Band and PatternReconfigurable Characteristics，，(IEEE antennas and wireless propagaion letters, vol. 6,2007.) 一文中提出了一種方向圖可重構八木天線，其結構如 圖1所示，整個天線由五個矩形貼片組成，正中間尺寸稍大的貼片為激勵元，兩側的四個尺 寸稍小的矩形貼片作為寄生元。每個寄生元上開有槽縫，槽中安裝三個開關，通過控制安 裝在槽中開關的狀態，可以令寄生貼片作引向器或者反射器。當寄生貼片上槽縫正中間的 開關斷開，而另外兩個開關閉合時，寄生貼片作引向器；而當寄生貼片上的三個開關都斷開 時，寄生貼片作反射器。當激勵單元某一側的兩個貼片狀態都為引向器，而另一側靠近激勵 元的貼片為反射器，就可以讓輻射方向圖向引向器方向偏轉。反射器外面的寄生貼片狀態 對方向圖的影響不明顯。這樣一種能實現輻射方向圖波束方向改變的天線就是一種可重構微帶貼片八木天線。該天線由于寄生元貼片數量較多，天線尺寸較大；同時由于輻射貼片是 矩形，只能沿四個方向實現方向圖重構。。
發明內容
本發明提供一種三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線，該天線具有三角形微帶 貼片結構；在不同模式下，工作頻率基本保持不變，方向圖波束可以根據需要，向不同方向 偏轉；同時，該天線具有尺寸小、剖面低的特點，能與載體表面共形，也能夠組成陣列，實現 方向圖在大范圍內掃描。本發明技術方案如下一種三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(三單元結構)，如圖2所示，包括介 質基片、位于介質基片背面的金屬接地板和位于介質基片正面的輻射貼片。所述介質基片 為矩形介質基片。所述金屬接地板覆蓋整個介質基片背面。所述輻射貼片包括三個三角形 金屬貼片，三個三角形金屬貼片按相同的方向放置，它們的一個頂點和過該頂點的高線與 矩形介質基片平行于長邊的中心軸線相重合。中間的三角形金屬貼片的面積大于兩側的三 角形金屬貼片。中間的三角形金屬貼片為激勵貼片，具有饋電端口 ；定義矩形介質基片平行 于長邊的中心軸線為輻射貼片的中心軸線，則激勵貼片的饋電端口位于中心軸線上并靠近 垂直于中心軸線的底邊。兩側的三角形金屬貼片為寄生貼片，兩個寄生貼片大小相同；寄生 貼片上開有垂直于輻射貼片中心軸線的槽縫，槽縫中間位置安裝得有跨接于槽縫兩邊的開 關。寄生貼片中槽縫的作用是達到切割電流，進而改變寄生貼片等效電感和等效電容 的目的。槽縫中開關的作用是通過改變開關狀態，來改變寄生貼片的等效電容和等效電感。 開有槽縫并安裝開關的寄生貼片如圖3所示。當寄生貼片上的開關斷開時，該寄生貼片作引向器。而當寄生貼片上的開關閉合 時，該寄生貼片對天線方向圖幾乎沒有影響。使激勵貼片一側的寄生貼片開關斷開，作引向 器，而另一側的寄生貼片上的開關閉合，就能使輻射方向圖的波束向引向器方向偏轉。而當 兩個寄生貼片上的開關同時斷開或閉合，則方向圖波束指向激勵貼片正上方。所以，通過改 變兩個寄生貼片上開關的狀態，天線共有三種工作模式，從而實現方向圖波束向三個方向 偏轉。這樣就實現了此天線的方向圖重構。本發明采用三個三角形貼片作為輻射單元，構成一種可重構微帶八木天線。其中 中間的貼片有饋電端口，是激勵元。兩側的貼片沒有饋電端口，是寄生單元。當寄生貼片上 槽縫中的開關斷開時，該貼片作引向器；而當寄生貼片槽中的開關閉合時，該貼片對天線的 輻射方向圖幾乎沒有影響。改變兩側貼片上開關的狀態，可以得到三種天線模式。模式一， 左側貼片上的開關斷開，貼片作引向器，右側貼片開關閉合，輻射方向圖波束偏向左側。而 模式二則正好相反，左側貼片開關閉合，右側貼片上開關斷開，作引向器，輻射方向圖波束 偏向右側。模式三，兩側貼片上的開關保持同種狀態，即同時閉合或斷開，輻射方向圖波束 都指向激勵貼片正上方。這樣，在這三種模式下，輻射方向圖就分別指向左側、右側或上方， 從而實現了三角形貼片八木天線的方向圖重構。本發明同時提供另外一種三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(七單元結 構)，如圖8所示，包括介質基片、位于介質基片背面的金屬接地板和位于介質基片正面的輻射貼片。所述介質基片為正方形或圓形介質基片。所述金屬接地板覆蓋整個介質基片背 面。所述輻射貼片包括七個正三角形金屬貼片，其中一個位于基片正面中心位置的正三角 形金屬貼片為激勵貼片，另外六個圍繞在激勵貼片周圍且與激勵貼片之間的距離相等的正 三角形金屬貼片為寄生貼片。激勵貼片的面積大于周圍六個寄生貼片，周圍六個寄生貼片 的面積相等。所有寄生貼片中通過其中一個頂點的高線與激勵貼片的三條高線之一相重 合，激勵貼片的每一條高線上的兩個寄生貼片與激勵貼片保持方向一致。激勵貼片的三條 高線上具有三個饋電端口，三個饋電端口之間形成一個正三角形。每個寄生貼片上開有垂 直于該寄生貼片所在激勵貼片那條高線的槽縫，槽縫中間位置安裝得有跨接于槽縫兩邊的 開關。選擇七單元結構的方向圖可重構八木天線中激勵貼片的一個饋電端口進行饋電， 另外兩個饋電端口之間接匹配負載，則接受饋電的饋電端口所在高線上的三個三角形金屬 貼片形成一個前述三單元結構的方向圖可重構八木天線，而另外四個寄生貼片對天線方向 圖的主瓣方向幾乎沒有影響。這樣，整個七單元結構方向圖可重構八木天線相當于三個前 述三單元結構的方向圖可重構八木天線的組合。分別對三個三單元結構的方向圖可重構八 木天線進行饋電，并控制相應寄生貼片中開關的狀態，就可以實現九種工作模式。其中每個 三單元結構的方向圖可重構八木天線均有一種模式是波束指向激勵貼片上方，但此時，當 兩個寄生貼片上的開關同時都斷開時，天線無法得到良好的匹配特性，而只有兩個寄生貼 片上的開關同時閉合時，天線才能正常工作。這樣整個七單元結構方向圖可重構八木天線 可以使輻射方向圖分別指向七個方向，可以實現上半空間方位面360°范圍的全方位覆蓋。本發明的有益效果是本發明結構新穎，性能優良。采用三個三角形貼片，通過一個端口饋電，改變寄生 貼片上的開關狀態，可以得到三種模式，從而實現波束在上半空間的一個平面內掃描。而 采用七個三角形貼片，通過三個饋電端口輪流工作，可以實現九種工作模式，實現波束在上 半空間的全方位掃描。天線在不同模式下，工作頻率基本保持不變，方向圖波束可以根據需 要，向不同方向偏轉，指向需要通信的用戶，也能夠避開干擾源。與全輻射方向的天線相比， 它能夠提供更高的增益，或者能夠在相同增益的情況下，節省能源。這一特性使這一天線能 夠在許多方面得到應用。該天線尺寸小，剖面低，能與載體表面共形，也能夠組成陣列，實現 方向圖在大范圍內掃描，可應用于無線通信、衛星通信、雷達探測等方面，如應用于飛行器、 艦船、車載裝置上，以及無線通信的固定或移動終端設備上。
圖1為現有的一種矩形微帶八木貼片天線的結構示意圖。其中(a)為正面結構， (b)為側面結構。圖2為本發明提供的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(三單元結構)的結 構示意圖。其中(a)為正面結構，(b)為側面結構。圖3為本發明提供的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線中寄生貼片結構示 意圖。圖4為本發明提供的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(三單元結構)處于 工作模式一時的E面方向圖。
圖5為本發明提供的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(三單元結構)處于 工作模式二時的E面方向圖。圖6為本發明提供的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(三單元結構)處于 工作模式三時的E面方向圖。圖7為本發明提供的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(三單元結構)三種 模式下的Sll參數曲線。圖8為本發明提供的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(七單元結構)的結 構示意圖。圖9至圖12為本發明提供的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(七單元結 構)的幾種工作模式下的E面的方向圖。圖13至圖15為本發明提供的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(七單元結 構)的幾種工作模式下的S參數曲線。
具體實施例方式實施例一一種三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(三單元結構)，如圖2所示，包括介 質基片、位于介質基片背面的金屬接地板和位于介質基片正面的輻射貼片。所述介質基片 為矩形介質基片。所述金屬接地板覆蓋整個介質基片背面。所述輻射貼片包括三個三角形 金屬貼片，三個三角形金屬貼片按相同的方向放置，它們的一個頂點和過該頂點的高線與 矩形介質基片平行于長邊的中心軸線相重合。中間的三角形金屬貼片的面積大于兩側的三 角形金屬貼片。中間的三角形金屬貼片為激勵貼片，具有饋電端口 ；定義矩形介質基片平行 于長邊的中心軸線為輻射貼片的中心軸線，則激勵貼片的饋電端口位于中心軸線上并靠近 垂直于中心軸線的底邊。兩側的三角形金屬貼片為寄生貼片，兩個寄生貼片大小相同；寄生 貼片上開有垂直于輻射貼片中心軸線的槽縫，槽縫中間位置安裝得有跨接于槽縫兩邊的開 關。對于單饋電三單元三角形微帶貼片八木天線，當寄生貼片上槽縫中的開關斷開 時，該貼片作為引向器，而當寄生貼片槽縫中的開關閉合時，該貼片對天線方向圖幾乎沒有 影響。改變兩側貼片上開關的狀態，可以得到三種天線工作模式。模式一，左側貼片開關斷開，作引向器，右側貼片開關閉合。輻射方向圖的波束偏 向左側，如圖4所示。模式二，左側貼片開關閉合，右側貼片開關斷開，作引向器。輻射方向圖的波束偏 向右側，如圖5所示。模式三，兩側貼片上開關保持相同狀態。輻射方向圖的波束指向激勵貼片正上方， 如圖6所示。我們將左邊槽縫中的開關編號為1，右邊的槽縫中的開關編號為2，則實現上述三 種模式時開關的狀態如下表1所示
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模式開關1開關2模式一斷開閉合模式二閉合斷開模式三閉合閉合斷開斷開表 1三種模式下，天線的Sll參數曲線如圖7所示。實施例二一種三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(七單元結構)，如圖8所示，包括介 質基片、位于介質基片背面的金屬接地板和位于介質基片正面的輻射貼片。所述介質基片 為正方形或圓形介質基片。所述金屬接地板覆蓋整個介質基片背面。所述輻射貼片包括七 個正三角形金屬貼片，其中一個位于基片正面中心位置的正三角形金屬貼片為激勵貼片， 另外六個圍繞在激勵貼片周圍且與激勵貼片之間的距離相等的正三角形金屬貼片為寄生 貼片。激勵貼片的面積大于周圍六個寄生貼片，周圍六個寄生貼片的面積相等。所有寄生貼 片中通過其中一個頂點的高線與激勵貼片的三條高線之一相重合，激勵貼片的每一條高線 上的兩個寄生貼片與激勵貼片保持方向一致。激勵貼片的三條高線上具有三個饋電端口， 三個饋電端口之間形成一個正三角形。每個寄生貼片上開有垂直于該寄生貼片所在激勵貼 片那條高線的槽縫，槽縫中間位置安裝得有跨接于槽縫兩邊的開關。對于三饋電端口的七單元三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線(如圖8所示)， 三個饋電點位置為圖中所標注的1，2，3。激勵貼片與饋電端口所在高線上的兩個寄生貼片 構成一個三單元結構的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線，這樣可構成三個三單元結 構的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線。當給其中一個饋電端口饋電，其它兩個端口 接匹配負載時，則只有沿該饋電點所在高線上的寄生貼片狀態會影響天線的方向圖，其它 四個寄生貼片的狀態對天線性能基本沒有影響。分別對三個三單元結構的方向圖可重構八 木天線進行饋電，并控制相應寄生貼片中開關的狀態，就可以實現九種工作模式。其中每個 三單元結構的方向圖可重構八木天線均有一種模式是波束指向激勵貼片上方，但此時，當 兩個寄生貼片上的開關同時都斷開時，天線無法得到良好的匹配特性，而只有兩個寄生貼 片上的開關同時閉合時，天線才能正常工作。這樣整個七單元結構方向圖可重構八木天線 可以使輻射方向圖分別指向七個方向，可以實現上半空間方位面360°范圍的全方位覆蓋。圖9至圖12為七單元結構的三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線的幾種工作 模式下的E面的方向圖。在圖13、14、15中給出了在饋電端口 1饋電，饋電端口 2和3接匹配負載時，模式 一、二、三這三種工作模式下的Sll、S21和S31參數曲線。從S參數曲線可以看出，在這三 種模式下，端口的反射系數和相鄰端口的隔離度都能夠滿足工作要求。由于天線結構的對 稱性，另外兩個饋電端口工作時的S參數與端口 1工作時完全相同。
權利要求
1.一種三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線，包括介質基片、位于介質基片背面的 金屬接地板和位于介質基片正面的輻射貼片；所述介質基片為矩形介質基片，所述金屬接 地板覆蓋整個介質基片背面；所述輻射貼片包括三個三角形金屬貼片，三個三角形金屬貼 片按相同的方向放置，它們的一個頂點和過該頂點的高線與矩形介質基片平行于長邊的中 心軸線相重合；中間的三角形金屬貼片的面積大于兩側的三角形金屬貼片；中間的三角形 金屬貼片為激勵貼片，具有饋電端口 ；定義矩形介質基片平行于長邊的中心軸線為輻射貼 片的中心軸線，則激勵貼片的饋電端口位于中心軸線上并靠近垂直于中心軸線的底邊；兩 側的三角形金屬貼片為寄生貼片，兩個寄生貼片大小相同；寄生貼片上開有垂直于輻射貼 片中心軸線的槽縫，槽縫中間位置安裝得有跨接于槽縫兩邊的開關。
2.一種三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線，包括介質基片、位于介質基片背面的 金屬接地板和位于介質基片正面的輻射貼片；所述介質基片為正方形或圓形介質基片，所 述金屬接地板覆蓋整個介質基片背面；所述輻射貼片包括七個正三角形金屬貼片，其中一 個位于基片正面中心位置的正三角形金屬貼片為激勵貼片，另外六個圍繞在激勵貼片周圍 且與激勵貼片之間的距離相等的正三角形金屬貼片為寄生貼片；激勵貼片的面積大于周圍 六個寄生貼片，周圍六個寄生貼片的面積相等；所有寄生貼片中通過其中一個頂點的高線 與激勵貼片的三條高線之一相重合，激勵貼片的每一條高線上的兩個寄生貼片與激勵貼片 保持方向一致；激勵貼片的三條高線上具有三個饋電端口，三個饋電端口之間形成一個正 三角形；每個寄生貼片上開有垂直于該寄生貼片所在激勵貼片那條高線的槽縫，槽縫中間 位置安裝得有跨接于槽縫兩邊的開關。
全文摘要
一種三角形微帶貼片方向圖可重構八木天線，屬于電子技術領域，涉及天線技術。本發明提供的方向圖可重構八木天線，包括三單元和七單元兩種結構。三單元結構天線的輻射貼片為三角形微帶貼片，包括一個激勵貼片和兩個寄生貼片。三個貼片按相同的方向放置，饋電端口位于激勵貼片；二寄生貼片上開有槽縫，槽縫中間安裝得有跨接于槽縫兩邊的開關。七單元天線為一個激勵貼片和六個寄生貼片形成的三個三單元結構天線的組合。天線在不同模式下，工作頻率基本保持不變，方向圖可重構。該天線尺寸小、剖面低，能與載體表面共形，也能夠組成陣列，實現方向圖在大范圍內掃描，可應用于無線通信、衛星通信、雷達探測等方面。
文檔編號H01Q9/04GK102110914SQ20101060984
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月29日 優先權日2010年12月29日
發明者張建, 楊雪松, 王秉中 申請人:電子科技大學