具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线及其设计方法

本发明涉及一种具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线及其设计方法，属于微波与天线。

背景技术：

1、随着无线通信系统的工作频率越来越高，造成天线工作频率的升高，从而引起天线设计开发的难度。与线极化天线相比，圆极化（circularly polarized, cp）天线由于能有效地减少多径干扰和不对准引起的极化失配损失而被广泛应用于许多无线应用中。其中，平面圆极化天线，如微带圆极化天线，由于可以与载体表面保形，引起了人们的广泛关注。然而，它们的辐射波束大多都是端射的，不适合一些要求辐射主波束与天线平面成一定夹角的倾斜辐射方向图的情况。随着无线通信技术的发展，迫切需要制造具有倾斜波束辐射能力的圆极化天线，以提高多径信号接收质量，特别是在卫星、导航、车联网以及空间/极化分集等通信系统等方面。

2、最近，能够产生倾斜圆极化波束的天线已被报道来满足了v2x应用对可靠通信链路的要求。目前，提出了各种实现倾斜波束的新设计方法。首先，利用材料和结构上的创新可实现倾斜波束。此外，采用基于低导电性铟锡氧化物的透明各向异性人工周期结构或引入线性渐变相位分布的馈电电路实现了倾斜波束。另外，采用漏波结构或基于基片集成波导的缝隙结构来设计改善波束倾斜角度和波束范围的天线。但上述实现倾斜波束的方法较为繁琐，导致天线结构复杂，阻碍了其进一步推广和应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线及其设计方法。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线的设计方法，所述设计方法包括：

4、在金属地上方设置半圆形贴片；

5、所述半圆形贴片的一条半径处通过短路壁与所述金属地相连接，形成一条半径短路、另一条半径以及圆弧均开路的非封闭结构；

6、在所述非封闭结构上设置同轴馈电单元进行馈电。

7、进一步地，所述半圆形贴片的圆弧长度是天线谐振频率对应波长的1.25倍，天线所采用的三个奇阶谐振模式分别为tm1/2,1、tm3/2,1和tm5/2,1。

8、进一步地，在所述半圆形贴片上设置所述金属地相连接的短路销钉，实现基阶谐振模式tm1/2,1的扰动，以及辐射电场相位和幅度的调控，实现倾斜圆极化辐射。

9、进一步地，从所述半圆形贴片的圆弧朝向圆心处，蚀刻第一矩形槽，并在所述第一矩形槽上加载第一变容二极管，构成奇阶谐振模式tm3/2,1的调谐结构。

10、进一步地，从所述半圆形贴片的圆弧朝向圆心处，蚀刻第二矩形槽，并在所述第二矩形槽上加载第二变容二极管，构成奇阶谐振模式tm5/2,1的调谐结构。

11、进一步地，从所述半圆形贴片的圆弧朝向圆心处，在所述半圆形贴片（2）的角平分线两侧，分别蚀刻第一矩形槽和第二矩形槽，并分别在所述第一矩形槽和第二矩形槽上加载第一变容二极管和第二变容二极管，构成奇阶谐振模式tm3/2,1和tm5/2,1的调谐结构。

12、进一步地，所述第一矩形槽位于角平分线与开路半径之间，所述第二矩形槽位于角平分线与短路半径之间。

13、进一步地，所述第一矩形槽的中轴线与所述半圆形贴片的角平分线之间的夹角为10°~25°。

14、进一步地，所述第二矩形槽的中轴线与所述半圆形贴片的角平分线之间的夹角为20°~40°。

15、进一步地，所述短路销钉与所述半圆形贴片圆心之间的距离为所述半圆形贴片半径的0.4~0.5倍，所述短路销钉与所述半圆形贴片圆心连线和所述半圆形贴片角平分线之间的夹角为0°~15°。

16、进一步地，所述同轴馈电单元的馈电点位于所述半圆形贴片的开路半径边缘。

17、进一步地，所述同轴馈电单元的馈电点与所述半圆形贴片圆心之间的距离为半径的0.7~0.9倍。

18、进一步地，所述半圆形贴片与所述金属地平行，两者之间填充有介质，且所述半圆形贴片与所述金属地之间的距离小于0.07倍波长。

19、另一方面，本发明提供一种具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线，所述天线由上所述设计方法获得。

20、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

21、（1）在半圆形贴片上开槽并加载变容二极管分别扰动两个或三个奇阶谐振模式实现天线的工作带宽的可重构以及圆极化辐射，天线结构极简，有效地减小了宽带圆极化天线的结构复杂度；

22、（2）圆极化波束倾斜角度可达42°，圆极化波束倾斜范围可达34°；

23、（3）天线具有较宽轴比带宽和可重构的阻抗带宽，即轴比带宽超过12%、双模谐振下相对阻抗带宽超过31%、双模谐振下相对阻抗带宽超过45%；

24、（4）具有低剖面、带宽可重构、圆极化波束倾斜范围和角度大，易于加工制作，便于批量生产等优点。

技术特征：

1.具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线的设计方法，其特征在于：所述设计方法包括：

2.根据权利要求1所述的具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线的设计方法，其特征在于，所述半圆形贴片（2）的圆弧长度是天线谐振频率对应波长的1.25倍。

3.根据权利要求1所述的具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线的设计方法，其特征在于，从所述半圆形贴片（2）的圆弧朝向圆心处，蚀刻第一矩形槽（5），并在所述第一矩形槽（5）加载第一变容二极管（8），构成奇阶谐振模式tm3/2,1的调谐结构。

4.根据权利要求1所述的具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线的设计方法，其特征在于，从所述半圆形贴片（2）的圆弧朝向圆心处，蚀刻第二矩形槽（6），并在所述第二矩形槽（6）上加载第二变容二极管（9），构成奇阶谐振模式tm5/2,1的调谐结构。

5.根据权利要求1所述的具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线的设计方法，其特征在于，从所述半圆形贴片（2）的圆弧朝向圆心处，在所述半圆形贴片（2）的角平分线两侧，分别蚀刻第一矩形槽（5）和第二矩形槽（6），并在所述第一矩形槽（5）和第二矩形槽（6）上分别加载第一变容二极管（8）和第二变容二极管（9），构成奇阶谐振模式tm3/2,1和tm5/2,1的调谐结构。

6.根据权利要求3或5所述的具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线的设计方法，其特征在于，所述第一矩形槽（5）的中轴线与所述半圆形贴片（2）的角平分线之间的夹角为10°~25°。

7.根据权利要求4或5所述的具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线的设计方法，其特征在于，所述第二矩形槽（5）的中轴线与所述半圆形贴片（2）的角平分线之间的夹角为20°~40°。

8.根据权利要求1所述的具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线的设计方法，其特征在于，所述短路销钉（4）与所述半圆形贴片（2）的圆心之间的距离为所述半圆形贴片（2）的半径的0.4~0.5倍，所述短路销钉（4）与所述半圆形贴片（2）的圆心的连线和所述半圆形贴片（2）的角平分线之间的夹角为0°~15°。

9.根据权利要求1所述的具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线的设计方法，其特征在于，所述同轴馈电单元（7）的馈电点位于所述半圆形贴片（2）的开路半径边缘，所述同轴馈电单元（7）的馈电点与所述半圆形贴片（2）圆心之间的距离为半径的0.7~0.9倍。

10.具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线，其特征在于，所述天线由权利要求1至9中任一所述设计方法获得。

技术总结本发明公开了一种具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线及其设计方法，属于微波与天线技术领域。本发明提供一种具有倾斜圆极化波束的带宽可重构贴片天线的设计方法，所述设计方法包括：在金属地上方设置半圆形贴片；所述半圆形贴片的一条半径处通过短路壁与所述金属地相连接，形成一条半径短路、另一条半径以及圆弧均开路的非封闭结构。通过在贴片上开槽和加载变容二极管调控天线三个奇阶谐振模式的不同组合实现双模宽带和三模宽带工作模式的切换。通过引入短路销钉调控天线三个奇阶谐振模式在俯仰面上辐射电场分量的幅度相等、相位正交实现宽带圆极化辐射。该天线的结构简单、易于设计，可通过半圆形贴片的半径来控制工作频段。技术研发人员：郁剑,郭天文,景朋森受保护的技术使用者：南京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14